BelNET logo

Электронный портал ядерных знаний Республики Беларусь

Belarusian Nuclear Education and Training Portal - BelNET

eng

rus

Материал портала ядерных знаний BelNET
статья/документ по запросу ресурса "4824"
2024-04-08
Решающий шаг в решении вопроса об аномальном магнитном моменте мюона

Магнитный момент - это неотъемлемая характеристика частицы со спином. Подобно массе и электрическому заряду, магнитный момент является одной из фундаментальных величин.

Существует разница между теоретическим значением магнитного момента мюона -- частицы, принадлежащей к классу лептонов -- и значениями, полученными в высокоэнергетических экспериментах, проводимых на ускорителях частиц. Разница проявляется только в восьмом знаке после запятой, но ученые были заинтригованы ею с тех пор, как она была обнаружена в 1948 году. Несмотря на малость, эта разница может указывать на то, взаимодействует ли мюон с частицами темной материи или другими бозонами Хиггса, или даже на то, что в процесс вовлечены неизвестные силы.

Теоретическое значение магнитного момента мюона, обозначаемое буквой , согласно уравнению Дирака равно . Однако эксперименты показали, что g не равно 2, и большой интерес для исследования представляет величина "", то есть разница между экспериментальным значением магнитного момента и значением, предсказываемым уравнением Дирака.

Наилучшее экспериментальное значение, полученное с впечатляющей точностью в Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми в США и объявленное в августе 2023 года, составляет с погрешностью плюс-минус . Информацию об эксперименте Muon G-2, проводимом в Фермилабе, можно найти на сайте Лаборатории по ссылке.

"Точное определение магнитного момента мюона стало ключевым вопросом в физике частиц, поскольку исследование расхождения между экспериментальными данными и теоретическим предсказанием может дать информацию, которая приведет к открытию какого-нибудь впечатляющего нового эффекта", - рассказал агентству FAPESP физик Диого Боито, профессор Физического института Сан-Карлоса при Университете Сан-Паулу (IFSC-USP). Статья Бойто и соавторов на эту тему опубликована в журнале Physical Review Letters.

Результаты исследования дают количественную оценку и указывают на происхождение расхождения между двумя методами, используемыми для современных предсказаний мюонного .

"В настоящее время существует два метода определения величины . Первый основан на экспериментальных данных, а второй -- на компьютерном моделировании квантовой хромодинамики, или КХД (теории, изучающей сильное взаимодействие между кварками). Эти два метода дают совершенно разные результаты, что является серьезной проблемой. Пока она не решена, мы не можем исследовать вклад возможных экзотических частиц, таких как новые бозоны Хиггса или темная материя, например, в ", - пояснил ученый.

В исследовании удалось объяснить это несоответствие. Как именно, читайте далее в Подробнее.

Загрузить:
alogo-physorg.png4944image/png2020-09-03 12:28:38

Мюон – это частица, принадлежащая, как и электрон, к классу лептонов, но обладающая гораздо большей массой. По этой причине мюон нестабилен и живет очень короткое время. Когда мюоны взаимодействуют друг с другом в присутствии магнитного поля, они распадаются и превращаются 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. Благодаря вкладу этих частиц реальный магнитный момент, измеренный в экспериментах, превышает теоретический магнитный момент, рассчитанный по уравнению Дирака и равный .

"Чтобы получить разницу [], необходимо учесть все эти вклады – как те, что предсказаны КХД [в Стандартной модели физики частиц], так и другие, меньшие, но проявляющиеся в высокоточных экспериментальных измерениях. Мы очень хорошо знаем некоторые из этих вкладов, но не все", – говорит Боито.

Эффекты сильного взаимодействия в КХД нельзя рассчитать только теоретически, поэтому есть две возможности. Одна из них используется уже давно и предполагает обращение к экспериментальным данным, полученным в электрон-позитронных столкновениях с образованием других частиц, состоящих из кварков. Другая – решеточная КХД (или КХД на решетке), которая стала конкурентоспособной только в текущем десятилетии и предполагает моделирование теоретического процесса на суперкомпьютере.

"Основная проблема с предсказанием мюонного сейчас заключается в том, что результат, полученный на основе данных электрон-позитронных столкновений, не согласуется с общим экспериментальным результатом, в то время как результаты, основанные на решеточной КХД, согласуются. Никто не знал, почему так происходит, и наше исследование частично проясняет эту загадку", – говорит Боито.

Боито и его коллеги провели свое исследование именно для решения этой проблемы. "В статье сообщается о результатах ряда исследований, в которых мы разработали новый метод сравнения результатов моделирования решеточной КХД с результатами, основанными на экспериментальных данных. Мы показываем, что из данных можно извлечь вклады, которые рассчитываются в решетке с большой точностью – вклады так называемых связанных диаграмм Фейнмана", – говорит ученый.

"В этом исследовании мы впервые с большой точностью получили вклады связанных диаграмм Фейнмана в так называемом "промежуточном энергетическом окне". Сегодня у нас есть восемь результатов по этим вкладам, полученных с помощью моделирования КХД на решетке, и все они в значительной степени согласуются. Более того, мы показываем, что результаты, основанные на данных по электрон-позитронному взаимодействию, не согласуются с этими восемью результатами, полученными с помощью моделирования", – сказал Боито.

Это позволило исследователям найти источник проблемы и подумать о возможных решениях. "Стало ясно, что если экспериментальные данные для двухпионного канала по какой-то причине недооценены, то это может быть причиной расхождения", – сказал он. Пионы – это мезоны (частицы, состоящие из кварка и антикварка), образующиеся в высокоэнергетических столкновениях.

Действительно, новые данные (пока еще рецензируемые), полученные в ходе эксперимента CMD-3, проведенного в Новосибирском государственном университете в России, показывают, что самые старые данные по двухпионному каналу, возможно, по какой-то причине были недооценены.

Вход, регистрация