Нова оцінка напруженості магнітного поля навколо мюону - субатомної частинки, схожої на електрон, але важче його, закриває розрив між теорією і експериментальними вимірами, приводячи її у відповідність зі стандартною моделлю, яка десятиліттями керувала фізикою елементарних частинок.
Стаття, що описує дослідження міжнародної групи вчених, опублікована в журналі Nature.
Двадцять років тому, в експерименті в Брукхейвенській національній лабораторії, фізики виявили те, що здавалося невідповідністю між вимірами «магнітного моменту» мюона - сили його магнітного поля і теоретичними розрахунками того, яким має бути цей вимір, піднімаючи дражнячу можливість фізичних частинок або сил, ще не відкритих.
Нове відкриття зменшує цю невідповідність, припускаючи, що магнетизм мюона, швидше за все, зовсім не загадковий. Щоб досягти цього результату, замість того, щоб покладатися на експериментальні дані, дослідники моделювали кожен аспект своїх обчислень з нуля - завдання, що вимагає величезних суперкомп'ютерних потужностей.
"Більшість явищ у природі може бути пояснено тим, що ми називаємо" стандартною моделлю фізики елементарних частинок ", - сказав Золтан Фодор, професор фізики в Пенсільванському університеті і керівник дослідницької групи. «Ми можемо передбачити властивості частинок надзвичайно точно, ґрунтуючись тільки на цій теорії, тому, коли теорія і експеримент не збігаються, ми можемо схвилюватися, що ми, можливо, знайшли щось нове, щось за межами стандартної моделі».
Для відкриття нової фізики, що виходить за рамки стандартної моделі, існує консенсус серед фізиків, що розбіжність між теорією і виміром має досягати п'яти сигм - статистичного заходу, який прирівнюється до ймовірності приблизно 1 до 3,5 мільйонів.
У разі мюону, вимірювання його магнітного поля відхилялися від існуючих теоретичних передбачень приблизно на 3,7 сигми. Інтригуюче, але недостатньо, щоб оголосити про виявлення нового прориву в правилах фізики. Таким чином, дослідники мали 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 нової фізики.
- Существующая теория оценки напряженности магнитного поля мюона опиралась на экспериментальные измерения электрон-позитронной аннигиляции, - говорит Золтан Фодор. "Щоб мати інший підхід, ми використовували перевірену теорію, яка була повністю незалежна від опори на експериментальні вимірювання. Ми почали з досить простих рівнянь і побудували всю оцінку з нуля.
Нові обчислення зажадали сотень мільйонів процесорних годинників у декількох суперкомп'ютерних центрах Європи і привели теорію у відповідність до вимірювань. Однак історія ще не закінчилася. Незабаром очікуються нові, більш точні експериментальні вимірювання магнітного моменту мюона.
«Якщо наші розрахунки правильні і нові вимірювання не змінять історію, то, схоже, нам не потрібна нова фізика для пояснення магнітного моменту мюона - він слідує правилам стандартної моделі», - кажуть дослідники. "Хоча перспектива нової фізики завжди приваблива, також цікаво бачити, як теорія і експеримент збігаються. Вона демонструє глибину нашого розуміння і відкриває нові можливості для дослідження.
«Наші результати повинні бути перевірені іншими групами, і ми очікуємо їх», - говорить Золтан Фодор. - Крім того, наше відкриття означає, що існує протиріччя між попередніми теоретичними результатами і нашими новими. Цю невідповідність слід зрозуміти. Крім того, нові експериментальні результати можуть бути близькі до старих або ближче до попередніх теоретичних розрахунків. Попереду у нас багато років хвилювань ".