Физики из международной коллаборации Muon g-2 достигли беспрецедентной точности в измерении магнитного момента мюона, превысив предыдущий рекорд более чем в два раза. Это достижение было получено в результате экспериментов, проведенных в лаборатории Фермилаб в США, где мюоны, часто называемые «тяжелыми электронами», были разогнаны до почти скорости света в кольце для хранения частиц.
Суть эксперимента заключалась в том, чтобы поместить эти мюоны в магнитное поле, примерно в 30 000 раз сильнее земного. Когда мюоны двигались по кольцу диаметром 7,1 метра, их магнитные моменты вызывали прецессию или колебание вокруг оси их спина. Эта прецессия зависела как от внешнего магнитного поля, так и от виртуальных частиц, присутствующих в вакууме. Сравнив частоту этой прецессии с частотой вращения мюонов по кольцу, исследователи определили аномальный магнитный момент мюона с точностью 0,2 части на миллион.
Это измерение основывается на предыдущих экспериментах, начатых в 2006 году в Национальной лаборатории Брукхейвен. Текущая точность в 2,2 раза превосходит предыдущий рекорд, установленный той же исследовательской группой. Коллаборация Muon g-2 состоит из 181 ученого из семи стран и 33 учреждений. Их последняя работа была опубликована в журнале Physical Review D.
Мюоны в 207 раз массивнее электронов, но в остальном идентичны, обладая тем же электрическим зарядом и спином. Определение магнитных моментов лептонов является сложной задачей, требующей высокой точности. Теоретическое предсказание магнитного момента мюона основано на квантовой электродинамике (КЭД) и требует вычисления множества сложных диаграмм Фейнмана.
Однако теория, предсказывающая аномальный магнитный момент мюона, отличается от теории электрона и более трудна для прогнозирования. Результаты КЭД применимы так же, как и для электрона, но с двумя дополнительными соображениями: вкладом электрослабой теории и вкладом адронов в Стандартной модели.
Внутри кольца хранения в Фермилабе каждые 1,4 секунды в кольцо вводится импульс из восьми групп мюонов, за которым следует тот же паттерн примерно через 267 миллисекунд. Таким образом, каждый раз в кольцо поступает около 100 000 положительных мюонов, 96% из которых имеют поляризованный спин. Данные были собраны с марта по июль 2019 года и с ноября 2019 года по март 2020 года. Эти второй и третий запуски содержали более чем в четыре раза больше данных, чем запуск 2018 года, и в целом данные охватывают три года.
Экспериментаторы внесли поправки на множество систематических факторов, которые могли бы исказить результаты. Хотя текущее измерение улучшает точность более чем в два раза, группа пришла к выводу, что сравнение с теоретическими предсказаниями пока невозможно. Даже для электронов необходимы предыдущие экспериментальные данные для корректировки теории адронных эффектов, и два доступных эксперимента для этой корректировки расходятся. Таким образом, значение высокой точности для магнитного момента мюона также ограничено.
Ожидается, что анализ еще трех лет данных приведет к улучшению статистической точности примерно в два раза. Это достижение стало значительным шагом вперед в понимании фундаментальных свойств материи и может помочь обнаружить новые физические явления за пределами Стандартной модели.
Коллаборация Muon g-2 — это международная исследовательская группа, занимающаяся измерением магнитного момента мюонов, элементарных частиц, схожих с электронами, но более массивных. Проект реализуется на базе Фермилаб в США и включает в себя измерения и теоретические исследования, направленные на проверку точности предсказаний Стандартной модели физики частиц и поиск возможных новых явлений. Эксперимент не только расширяет знания о мюонах, но и имеет потенциальные последствия для более глубокого понимания природы материи и физических законов, действующих во Вселенной.
В состав Muon g-2 Collaboration входят ученые из разных стран, включая Россию. Российские исследователи вносят значительный вклад в различные аспекты проекта, включая теоретические расчеты, экспериментальные измерения и анализ данных, что подчеркивает важность международного сотрудничества в достижении целей проекта.
Читайте еще по теме:
Российские ученые предложили новый метод определения атомных зарядов в материалах
Специалисты МИФИ нашли сплав для продления срока службы будущего термоядерного реактора
На российском сегменте МКС проводят эксперимент «Плазменный кристалл»