Как десятичный знак может переопределить физику

Магнитный момент мюона был научной загадкой из-за небольшой разницы между его теоретическими и экспериментальными значениями, что позволяло предположить взаимодействие с неизвестными частицами или силами. Исследования, включающие передовое квантовое моделирование, начинают раскрывать эти несоответствия, обеспечивая понимание фундаментальных свойств мюонов и их взаимодействий в физике элементарных частиц. Фото: SciTechDaily.com

Исследователи определили причину расхождений в недавних предсказаниях магнитного момента мюона. Их результаты могут способствовать изучению темной материи и других аспектов новой физики.

Магнитный момент — это внутреннее свойство вращающейся частицы, возникающее в результате взаимодействия частицы с магнитом или другим объектом с магнитным полем. Подобно массе и электрическому заряду, магнитный момент является одной из фундаментальных величин в физике. Существует разница между теоретическим значением магнитного момента мюона — частицы, принадлежащей к тому же классу, что и электрон, — и значениями, полученными в высокоэнергетических экспериментах, проводимых на ускорителях частиц.

Разница проявляется только до восьмого знака после запятой, но ученые интересовались ею с момента ее открытия в 1948 году. Это не деталь: она может указывать на то, взаимодействует ли мюон с частицами темной материи или другими бозонами Хиггса, или даже неизвестно. . В этой операции участвуют войска.

Несоответствия магнитного момента мюона

Теоретическое значение магнитного момента мюона, обозначаемого буквой g, определяется уравнением Дирака, сформулированным английским физиком, лауреатом Нобелевской премии 1933 года Пауло Дираком (1902-1984), одним из основоположников квантовой механики и квантовой электродинамики. — как 2. Однако эксперименты показали, что g не равно 2, и существует большой интерес к пониманию «g-2», то есть разницы между экспериментальным значением и значением, предсказанным уравнением Дирака. Наилучшее экспериментальное значение, доступное в настоящее время, полученное с поразительной точностью в Национальной ускорительной лаборатории Ферми (Fermilab) в США и объявленное в августе 2023 года, составляет 2,00116592059 с диапазоном неопределенности плюс-минус 0,00000000022.

«Точное определение магнитного момента мюона стало серьезной проблемой в физике элементарных частиц, поскольку исследование этого разрыва между экспериментальными данными и теоретическими предсказаниями может предоставить информацию, которая может привести к открытию некоторых удивительных новых эффектов», — сказал физик Диого Бойто, профессор Институт физики Университета Сан-Карлоса, Сан-Паулу (IFSC-USP) в FAPESP.

Статья Бойто и его сотрудников на эту тему была опубликована в журнале. Письма о физическом осмотре.

Новые выводы из исследований

«Наши результаты были представлены на двух важных международных мероприятиях. Сначала я во время семинара в Мадриде, Испания, а затем мой коллега Мартин Гольтерманн из государственного университета Сан-Франциско на встрече в Берне, Швейцария», — сказал Бойто.

Эти результаты идентифицируют и указывают на причину расхождения между двумя методами, используемыми для текущих предсказаний мюона g-2. «В настоящее время существует два метода определения фундаментальной составляющей g-2. Первый основан на экспериментальных данных, а второй — на компьютерном моделировании квантовой хромодинамики, или КХД, теории, изучающей сильные взаимодействия между кварками. Эти два метода приводят к очень разным результатам, что является большой проблемой». Он объяснил, что пока эта проблема не будет решена, мы не сможем исследовать вклад возможных экзотических частиц, таких как новые бозоны Хиггса или темная материя, например, в g-2.

Исследование успешно объясняет это несоответствие, но чтобы понять его, нам нужно сделать несколько шагов назад и начать все сначала с несколько более подробного описания мюона.

Мюонное накопительное кольцо в Фермилабе. Фото: Рейдар Хан, Фермилаб.

Мюон — частица, принадлежащая к классу лептонов, как и электрон, но имеющая гораздо большую массу. По этой причине он нестабильен и выживает только в течение очень короткого времени в контексте высоких энергий. Когда мюоны взаимодействуют друг с другом в присутствии магнитного поля, они распадаются и вновь собираются в облако других частиц, таких как электроны, позитроны, W- и Z-бозоны, бозоны Хиггса и фотоны. Поэтому в экспериментах мюоны всегда сопровождаются множеством других виртуальных частиц. Их вклады делают реальный магнитный момент, измеренный в экспериментах, больше теоретического магнитного момента, рассчитанного по уравнению Дирака, который равен 2.

«За отличие [g-2]необходимо принять во внимание все эти вклады – как предсказываемые КХД [in the Standard Model of particle physics] Другие меньше по размеру, но появляются в результате высокоточных экспериментальных измерений. «Мы хорошо знаем многие из этих вкладов, но не все», — сказал Бойто.

Эффекты сильного взаимодействия КХД не могут быть рассчитаны только теоретически, поскольку они непрактичны в некоторых энергетических системах, поэтому есть две возможности. Один из них используется уже некоторое время и предполагает обращение к экспериментальным данным, полученным в результате электрон-позитронных столкновений, в результате которых создаются другие частицы, состоящие из кварков. Другой — решеточная КХД, которая стала конкурентоспособной только в текущем десятилетии и предполагает моделирование теоретического процесса на суперкомпьютере.

«Основная проблема в предсказании мюона g-2 на данный момент заключается в том, что результат, полученный с использованием данных электрон-позитронных столкновений, не согласуется с общим экспериментальным результатом, в то время как результаты, основанные на решеточной КХД, согласуются. Это не так», — сказал Бойто. «Никто не знает, почему, и наше исследование объясняет часть этой загадки».

Он и его коллеги провели исследования специально для решения этой проблемы. «В статье сообщаются результаты ряда исследований, в которых мы разработали новый метод сравнения результатов моделирования решеточной КХД с результатами, основанными на экспериментальных данных. «Мы показали, что можно с большой точностью извлечь вклады вычисленных данные в решетку — вклад так называемых континуальных диаграмм Фейнмана», — сказал он.

Американский физик-теоретик Ричард Фейнман (1918–1988) получил Нобелевскую премию по физике в 1965 году (вместе с Джулианом Швингером и Шиничиро Томонагой) за фундаментальные работы в области квантовой электродинамики и физики элементарных частиц. Диаграммы Фейнмана, созданные в 1948 году, представляют собой графическое представление математических выражений, описывающих взаимодействие этих частиц и используемых для упрощения необходимых вычислений.

«В этом исследовании мы впервые с большой точностью получили вклады континуальных диаграмм Фейнмана в так называемое «окно средней энергии». Сегодня у нас есть восемь результатов для этих вкладов, полученных с помощью моделирования решеточной КХД, и все они Более того, мы показали, что результаты, основанные на данных электрон-позитронного взаимодействия, не согласуются с этими восемью результатами моделирования.

Это позволило исследователям определить источник проблемы и подумать о возможных решениях. «Стало ясно, что если экспериментальные данные для двухпионного канала по каким-то причинам были занижены, то это могло быть причиной расхождения», — сказал он. Пионы — это мезоны, частицы, состоящие из кварков и антикварков, образующиеся в результате столкновений при высоких энергиях.

Фактически, новые данные (все еще находящиеся на стадии экспертной оценки) из Опыт КМД-3 Это исследование, проведенное в Новосибирском государственном университете в России, похоже, показывает, что данные самых старых двоичных каналов могли быть недооценены по какой-то причине.

Ссылка: «Определение на основе данных связанной с легкими кварками составляющей вклада среднего окна в мюон г-2«Женесса Бентон, Диого Бойто, Мартин Гольтерман, Александр Кешаварци, Ким Мальтман и Сантьяго Пирес, 21 декабря 2023 г. Письма о физическом осмотре.
doi: 10.1103/PhysRevLett.131.251803

Участие Бойто в исследовании было частью его проекта «Тестирование стандартной модели: прецизионная КХД и мюон g-2», за который FAPESP наградил его грантом для молодых исследователей фазы II.