Физики разгадали 25-летнюю квантовую загадку, но расчёты не сходятся

Новые теоретические расчёты в физике частиц разрешили давнее противоречие, но создали новое: старые предсказания, основанные на экспериментах, теперь расходятся с данными ускорителя в Сибири. Это может указывать на скрытые систематические ошибки или на существование неизвестных частиц.

Новые теоретические расчёты, похоже, разрешили 25-летнюю загадку в физике частиц, но они привели к несоответствию с другими экспериментальными результатами. Физики наконец приблизились к пониманию того, почему предсказания о колебаниях мюонов в магнитном поле расходились с наблюдениями, однако теперь перед ними встал новый вопрос: почему старые расчёты, основанные на реальных данных, противоречат новым?

На протяжении четверти века учёные были озадачены проблемой, вероятность возникновения которой составляла одну миллионную. Их прогнозы относительно того, как определённые частицы, называемые мюонами, должны колебаться в магнитном поле, не совпадали с тем, что они видели в экспериментах. Это несоответствие было интригующим намёком на возможное существование неизвестных частиц, которые могли бы объяснить аномалию.

Разгадка, которая породила новую загадку

В 2021 году исследователи усовершенствовали метод теоретических расчётов и обнаружили, что их предсказания совпадают с экспериментальными результатами гораздо точнее, чем раньше — с точностью до одной части на 100 миллиардов. Это означало, что аномалия, казалось, исчезла, и стандартная модель физики частиц снова восторжествовала. Однако это, в свою очередь, породило новую загадку: старые расчёты казались вполне обоснованными, но они не совпадали с новыми.

Старые предсказания не были основаны исключительно на теории; они также опирались на данные других экспериментов. Если старые расчёты противоречили новым результатам, а сами старые расчёты основывались на экспериментальных данных, то не происходило ли что-то странное в старых экспериментах? Этот вопрос стал центральным для физиков, пытающихся понять, где именно скрывается ошибка.

Предыстория и контекст: аномалия мюона

Проблема, о которой идёт речь, известна как аномальный магнитный момент мюона. Мюон — это нестабильная элементарная частица, похожая на электрон, но в 200 раз тяжелее. В магнитном поле мюон ведёт себя как крошечный магнит, и его колебания (прецессия) могут быть измерены с высокой точностью. Теоретические расчёты этого поведения основаны на квантовой хромодинамике и электродинамике, но они сложны и требуют учёта множества виртуальных частиц.

На протяжении десятилетий экспериментальные измерения аномального магнитного момента мюона, проводимые в лабораториях, таких как Fermilab в США, показывали небольшое, но устойчивое расхождение с теоретическими предсказаниями. Это расхождение, составляющее около 3-4 сигм, считалось потенциальным признаком новой физики — возможно, существования гипотетических частиц, таких как суперсимметричные партнёры или тёмные фотоны.

Однако в 2021 году группа теоретиков из Мюнхенского технического университета и Института Макса Планка представила новые вычисления, которые использовали метод решёточной квантовой хромодинамики. Этот подход позволил учесть вклады сильных взаимодействий с беспрецедентной точностью. Результат оказался поразительным: новое теоретическое значение совпало с экспериментальным, устранив аномалию. Но это достижение имело свою цену — старые теоретические методы, которые также использовали экспериментальные данные для калибровки, давали другие результаты.

Как это работает: почему старые и новые расчёты различаются?

Ключевой вопрос заключается в том, почему старые расчёты, которые казались надёжными, теперь противоречат новым. Старые методы, известные как дисперсионные соотношения, использовали данные экспериментов по аннигиляции электрон-позитронных пар для оценки вклада адронных вакуумных поляризаций. Эти данные были получены на различных ускорителях по всему миру, включая коллайдеры в Европе, США и Японии. Новые же расчёты основаны на чисто теоретическом подходе, моделирующем взаимодействия кварков и глюонов на решётке.

Различие между методами не является просто вопросом точности. Оно указывает на потенциальную проблему в экспериментальных данных, использованных в старых расчётах. Если новые теоретические предсказания верны, то старые эксперименты могли содержать систематические ошибки, которые не были замечены. Это может быть связано с процедурами калибровки, учётом фоновых процессов или даже с особенностями работы конкретных ускорителей.

Технические подробности: сибирский ускоритель и его аномалии

Один из многообещающих ключей к разгадке даёт ускоритель частиц в Сибири — ВЭПП-2000 в Институте ядерной физики в Новосибирске. В последнее время результаты экспериментов на этом ускорителе стали резко расходиться с данными, полученными ранее как на этом, так и на других ускорителях. Эти результаты вызвали бурную активность в физическом сообществе: учёные пытаются определить, являются ли противоречивые измерения побочным эффектом различий в экспериментальных процедурах или же это признак того, что новые частицы всё-таки появляются.

ВЭПП-2000 — это коллайдер электронов и позитронов, который работает в диапазоне энергий, важном для измерения адронных вкладов. Недавние данные, полученные на нём, показывают значения, которые отличаются от более ранних измерений на других установках, таких как BaBar в США и KLOE в Италии. Расхождения достигают нескольких процентов, что значительно превышает заявленные погрешности. Это заставляет физиков пересмотреть методики анализа данных и искать возможные источники систематических ошибок.

Кого затронет и как

Эта ситуация имеет прямое отношение к физикам-теоретикам, работающим над стандартной моделью, а также к экспериментаторам, планирующим новые измерения. Для теоретиков это означает необходимость пересмотра методов и, возможно, отказа от некоторых предположений. Для экспериментаторов это стимул к более тщательной проверке данных и к координации между различными коллаборациями. В более широком смысле, от разрешения этой загадки зависит, сможет ли стандартная модель остаться непоколебимой или же мы стоим на пороге открытия новой физики.

Для российских учёных, особенно работающих в Новосибирске, это уникальная возможность подтвердить важность своих исследований. ВЭПП-2000 — один из немногих действующих коллайдеров в России, и его данные могут сыграть ключевую роль в разрешении противоречия. Успех в этом деле укрепит позиции российской науки в мировой физике высоких энергий.

Что будет дальше

Физики уже активно работают над тем, чтобы понять источник расхождений. Планируются новые эксперименты на ВЭПП-2000 с улучшенной статистикой, а также повторный анализ старых данных с использованием новых методов. Кроме того, теоретики продолжат совершенствовать решёточные расчёты, чтобы уменьшить неопределённости. Возможно, в ближайшие годы мы получим окончательный ответ: либо старые эксперименты действительно содержали ошибки, и тогда стандартная модель останется в силе, либо мы обнаружим долгожданные следы новой физики.

Итог

Разрешение 25-летней загадки аномального магнитного момента мюона привело к новой головоломке, которая может оказаться не менее важной. Если новые теоретические расчёты верны, то старые экспериментальные данные, возможно, были ошибочны, и это требует пересмотра многих результатов. С другой стороны, если расхождения в сибирских данных — реальный эффект, мы можем стоять на пороге открытия новых частиц. В любом случае, эта история показывает, насколько тонкой и сложной является современная физика частиц, и почему за каждым «решённым» вопросом может скрываться другой, ещё более глубокий. Следите за развитием событий — они могут изменить наше понимание фундаментальных законов природы.