Чи справді світ стоїть на порозі відкриття «нової фізики»?

П'ятнадцять років тому фізики з Брукхейвенськоїнаціональної лабораторії виявили щось дивовижне. Мюони - тип субатомних частинок - рухалися несподіваними чином, що не відповідало теоретичним прогнозам. З тих пір фізики намагалися зрозуміти чому. Нещодавно група дослідників з Fermilab зайнялася експериментальної стороною питання і 7 квітня 2021 року опублікувала результати, що підтверджують початкове вимір. Ряд дослідників, однак, дотримується іншого підходу, вважаючи, що ніякої «нової фізики» на горизонті немає. Так, команда вчених в рамках співпраці Budapest-Marseille-Wuppertal Collaboration спробувала з'ясувати, чи не було старе теоретичний прогноз невірним. Для розрахунку взаємодії мюонів з магнітними полями був використаний новий метод. Якщо розрахунки дослідників вірні, то ніякого розбіжності між теорією і експериментом немає, як і не відкритої сили природи.

Фізика переживає цікаві часи - одні дослідження показують, що можливо існує невідома науці сила природи, а інші свідчать, що Стандартна модель як і раніше непохитна.

Мюон і Стандартна модель

Хоча це і не очевидно, але мюони - важчіі нестабільні сестри електрона - оточують нас з усіх боків. Створюються ці субатомні частки, наприклад, при зіткненні космічних променів з частинками в атмосфері нашої планети. Цікаво, що мюони можуть проходити крізь матерію, а вчені використовують їх для дослідження недоступних внутрішніх структур - від гігантських вулканів до єгипетських пірамід.

Мюони, як і електрони, мають електричним зарядом і генерують крихітні магнітні поля. Сила і орієнтація цього магнітного поля називається магнітним моментом.

Майже все у Всесвіті, від будови атомів дороботи комп'ютерів та руху галактик, можна описати за допомогою чотирьох взаємодій: гравітації; електромагнетизму; слабкої взаємодії, що відповідає за радіоактивний розпад; сильного взаємодії, що відповідає за утримання протонів і нейтронів в ядрі атома. Цю структуру вчені називають стандартною моделлю фізики елементарних частинок.

Цікаво, що всі взаємодії Стандартноїмоделі вносять в свій вклад в магнітний момент мюона, але кожне з них робить це кількома різними способами, визначити які виявилося неймовірно важко.

Мюони, виявлені в космічних променях, сполошили наукове співтовариство і навіть широкий загал.

«Більшість явищ в природі можна пояснити здопомогою Стандартної моделі, - відзначає Золтан Фодор, професор фізики в Пенсильванському університеті і керівник дослідницької групи. «Ми можемо передбачити властивості частинок надзвичайно точно, грунтуючись тільки на цій теорії, тому, коли теорія і експеримент не збігаються, ми розглядаємо можливість того, що виявили щось нове, щось за межами Стандартної моделі».

Хочете завжди бути в курсі останніх новин зі світу науки і високих технологій? Підписуйтесь на наш новинний канал в Telegram щоб не пропустити нічого цікавого!

магнетична таємниця

У минулому для розрахунку магнітного моменту мюонафізики використовували змішаний підхід - вони збирали дані про зіткнення між електронами і позитрона - протилежністю електронів - і використовували їх для обчислення внеску сильної взаємодії в магнітний момент мюона. Цей підхід використовувався для подальшого уточнення оцінки протягом десятиліть. Останні результати відносяться до 2020 року і дають дуже точну оцінку.

У дослідженні, опублікованому 6 квітня в журналіNаture, фізики застосували новий підхід, який дає оцінку напруженості магнітного поля мюона і близько відповідає його експериментальному значенню. Примітно, що вчені використовували повністю перевірену теорію, яка була повністю незалежна від опори на експериментальні вимірювання.

«Ми почали з досить простих рівнянь іпобудували всю оцінку з нуля », - пишуть дослідники. Нові обчислення зажадали сотень мільйонів процесорних годин в декількох суперкомп'ютерних центрах Європи і привели теорію у відповідність з вимірами.

Читайте також: Фізики переосмислити будову Всесвіту. Темна енергія більше не потрібна?

Фізики використовували більш інтенсивне джерело мюонів, що дало їм більш точний результат, який майже ідеально відповідав старому виміру.

Отримані дані істотно скорочують розривміж теорією і експериментальними вимірами і, якщо є вірними, підтверджують верховенство Стандартної моделі, яка десятиліттями керувала фізикою елементарних частинок. Але історія на цьому не закінчується, так як тепер отримані результати повинні бути перевірені ще раз іншими дослідницькими групами. Але що в підсумку?

нові експерименти

Важливо розуміти, що для відкриття Нової фізики,виходить за рамки Стандартної моделі, існує науковий консенсус - розбіжність між теорією і виміром має сягати п'яти сигм - статистичної заходи, яка прирівнюється до ймовірності приблизно 1 до 3,5 мільйонів.

Це цікаво: Вчені з ЦЕРН стоять на порозі відкриття «нової фізики»

У разі мюона вимірювання його магнітного полявідхилялися від існуючих теоретичних передбачень приблизно на 3,7 сигми. Це, безумовно, інтригуюче, але недостатньо для того, щоб оголосити про крах Стандартної моделі. Так що в майбутньому дослідники мають намір поліпшити як вимірювання, так і теорію в надії або примирити теорію і вимір, або збільшити сигму до рівня, який дозволив би оголосити про відкриття Новій фізики.