Эксперимент в Фермилаб в два раза улучшил точность измерения g-2 мюона, продвинувшись в поисках Новой физики в неизведанную область
- 10.08.2023
Физики Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (Фермилаб, США) 10 августа 2023 года сообщили о новых результатах эксперимента Muon g-2. В этом эксперименте с высокой точностью измеряется аномальный магнитный момент мюона (АМММ). Магнитный момент отражает силу взаимодействия частицы, в данном случае мюона, с магнитным полем. Аномальный магнитный момент возникает в результате взаимодействия частицы с короткоживущими ненаблюдаемыми, или виртуальными, частицами. Измеряя эту величину в эксперименте, и сравнивая ее с предсказанием Стандартной модели, ученые ищут указания на существование Новой физики – явлений (частиц и сил), не описываемых Стандартной моделью. Уникальность АММ мюона состоит в том, что он очень чувствителен к вкладу возможных, не открытых еще частиц. Чем точнее получается измерить АММ мюона и предсказать его значение, тем глубже удается заглянуть в то, как устроен мир на самых малых расстояниях. Чтобы достичь суперточности, ученые проводят все новые и новые эксперименты и расчеты.
Согласно результатам, анонсированным Фермилаб, эксперимент Muon g-2 смог измерить АММ мюона с рекордной точностью 0.2 ppm, или 0.00002% – более чем в два раза точнее предыдущего измерения, проводившегося в Брукхейвенской лаборатории (БНЛ, США) в конце 90-х – начале 2000-х. Полученный результат хорошо согласуется с предыдущими измерениями.
Теперь, когда экспериментальное значение АМММ достигло такой высокой точности, физики должны повысить уровень теоретического предсказания АМММ. Наиболее точное предсказание Стандартной модели для АММ мюона было получено в 2020 году. Между этим предсказанием и новым измеренным значением наблюдается разница более 5 стандартных отклонений. Такой разницы было бы достаточно, чтобы утверждать о наблюдении эффектов, не описываемых Стандартной моделью. Однако, с 2020 года появилось несколько расчетов, основанных на решеточных вычислениях КХД и на новых измерениях вероятности рождения пары пионов в электрон-позитронной аннигиляции, проведенных в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) на коллайдере ВЭПП-2000 с детектором КМД-3, которые ставят под сомнение расчет 2020 года. В настоящее время широкая коллаборация ученых из многих мировых научных центров работает над уточнением теоретического предсказания.
Мюонное накопительное кольцо. Предоставлено Muon g-2 collaboration.
Современная теория микромира, или Стандартная модель, хорошо описывает фундаментальные взаимодействия элементарных частиц, но некоторые астрофизические наблюдения указывают на то, что она не полностью объясняет физическую картину мира. Например, в ней нет места темной материи, из которой на 26% состоит наша Вселенная. Прямыми поисками недостающих «частей» СМ занимаются ученые со всего мира на Большом адронном коллайдере – они пытаются зарегистрировать новые частицы на все больших энергиях. В экспериментах Фермилаб и ИЯФ СО РАН физики пытаются получить косвенные указания о полноте или не полноте СМ через сравнение измеренного и предсказанного теорией значения АМММ.
Аномальный магнитный момент есть у любой заряженной частицы, но наиболее интересно его изучать именно у мюона. «Плюс мюона в том, что физики умеют получать эти элементарные частицы в большом количестве, а также в том, что они живут относительно долго – целых 2 микросекунды, – рассказывает заместитель директора ИЯФ СО РАН по научной работе заведующий кафедры физики элементарных частиц НГУ доктор физико-математических наук Иван Логашенко. – Частица представляет собой небольшой магнитик, он проворачивается в магнитном поле, и по углу его поворота измеряется величина АММ. Если частица короткоживущая, как, например, тау-лептон, АММ которого тоже было бы очень интересно измерить, она успевает повернуться на очень маленький угол до того, как умирает (распадается). А вот мюон, напротив, успевает сделать десятки полных оборотов, поэтому величину АММ мюона можно измерить очень хорошо. С еще большей точностью, приблизительно в 1000 раз, измеряют АММ электрона, который живет бесконечно долго. Но тут в дело вступает еще одно преимущество мюона – он в 200 раз тяжелее электрона и его АММ гораздо чувствительней, примерно в 40000 раз, к вкладу тяжелых частиц. Поэтому именно для мюона интереснее всего сравнить величину АММ, измеренную в эксперименте, с предсказанием Стандартной модели. Если мы увидим отличие, то это указывает на Новую физику – что существуют какие-то силы и частицы, которые вносят свой вклад в АММ и которые мы не учитываем в Стандартной модели».
Проверка Стандартной модели Фермилаб
Экспериментальные измерения АМММ проводятся в течение последних 60-ти лет в разных лабораториях мира – и точность каждого последующего повышается. До недавнего времени лидировал результат Брукхейвенской лаборатории, который был получен в начале двухтысячных годов. Относительная точность эксперимента составила половину миллионной доли, 0.000054%. Следующий эксперимент, как раз Muon g-2 в Фермилаб, ставит целью повысить точность еще в четыре раза.
«Мы действительно исследуем новую территорию. Нам удалось определить аномальный магнитный момент мюона с большей точностью, чем когда-либо прежде», – сказал в официальном пресс-релизе Фермилаб Брендан Кейси, старший научный сотрудник лаборатории.
Качество полученного результата эксперимента складывается из уточнения систематической и статистической ошибки. Статистическая ошибка уточняется благодаря повышению объема собранных данных – и в Фермилаб удалось накопить более чем в 20 раз больше данных, чем в Брукхейвене. Систематическая ошибка показывает все неопределенности, которые существуют в методике эксперимента, анализе данных. «Новый результат основан приблизительно на 1/3 всех данных, набранных в эксперименте. Полностью анализ данных завершится в 2025 году, тогда статистическая точность улучшиться в заявленные четыре раза. А вот систематическую неопределенность нашим коллегам из Фермилаб уже удалось уменьшить почти в четыре раза относительно эксперимента БНЛ. Судя по детальности анализа данных эксперимента, можно говорить, что он войдет в историю, как один из самых тщательно проработанных и точных», – говорит Иван Логашенко.
«Это невероятное экспериментальное достижение. Снижение систематической неопределенности до такого уровня – это большой результат, и мы не ожидали получить его так скоро», – сказал Питер Уинтер, представитель коллаборации Muon g-2.
Результат измерения АММ мюона в Фермилаб и его сравнение с предыдущими измерениями. Предоставлено Muon g-2 collaboration
Проверка Стандартной модели ИЯФ СО РАН
«Напомню, что главная особенность АМММ не в самой величине, а в том, что ее можно очень точно как измерить, так и рассчитать в рамках СМ, – объясняет Иван Логашенко. – Получив высокую точность обоих этих значений, и сравнив их, мы сможем понять, существует ли физика за рамками СМ, или теория работает хорошо на достигнутом уровне точности».
На данный момент между экспериментальным значением АМММ и теоретическим расчетом той же величины пять стандартных отклонений, или пять сигм. Такая разница считается довольно большой. Но в последнее время появились новые данные, которые поставили под сомнение точность сделанного ранее теоретического расчета. Теперь главная задача мирового физического сообщества – выйти при расчете предсказания СМ на тот же уровень точности, достигнутой в Фермилаб.
«К сожалению, на сегодняшний день нельзя сказать, что мы точно знаем, что нам предсказывает Стандартная модель», – объясняет Иван Логашенко. – Теоретический расчет АМММ включает вклады электромагнитных, сильных и слабых взаимодействий. И если электромагнитные и слабые взаимодействия хорошо известны и подсчитаны, то с вкладом сильных взаимодействий картина не так ясна».
Еще в 60-х гг. XX в. был придуман способ, который связывает вклад сильных взаимодействий в АМММ с вероятностью рождения адронов при аннигиляции электрона и позитрона. ИЯФ СО РАН на ускорительном комплексе ВЭПП-2000 (а ранее – на комплексе ВЭПП-2М) исторически занимается как раз измерением адронных сечений. То есть, информация, которую получают российские физики в новосибирском Академгородке, позволяет улучшать точность теоретического вычисления АМММ в рамках Стандартной модели. Более того, в значительной степени, именно точность измерений на ВЭПП-2000 определяет точность предсказания.
Коллайдер ВЭПП-2000 ИЯФ СО РАН. Фото С. Ерыгиной.
«На ВЭПП-2000 мы измеряем как раз то, что нужно для теоретического расчета АМММ – вероятность рождения адронов при электрон-позитронной аннигиляции в нужном диапазоне энергий, – рассказывает Иван Логашенко. – В этом году у нас произошло большое событие – закончился анализ данных, набранных на детекторе КМД-3, и мы выдали новый результат измерения самого главного “ингредиента” всех теоретических вычислений АМММ – вероятности рождения пары двух пионов в электрон-позитронной аннигиляции. Мы набрали рекордный объем данных (в 30 раз больший, чем было раньше на ВЭПП-2М), анализ данных получился гораздо более детальный, по сравнению с теми, что были проведены раньше где-либо в мире».
По словам ученого, полученный результат разошелся с предыдущим расчетом всего на несколько процентов, но этого достаточно, чтобы вклад сильных взаимодействий в АМММ и, соответственно, теоретическое предсказание АМММ сдвинулось ближе к экспериментальному значению. «Если посмотреть на предсказание СМ для АМММ, основанного на результате, который мы анонсировали в апреле 2023 года, то они очень близки к экспериментальному значению, который получен в Фермилаб», – резюмировал Иван Логашенко.
Теория VS Эксперимент
Научных групп, которые занимаются теоретическими расчетами АМММ или измерением данных для таких расчетов, довольно много – помимо России, подобные эксперименты проводятся на B-фабриках и Фи-фабриках в Японии, в США. В последние годы появился новый метод расчета вклада сильных взаимодействий в АМММ – решеточные вычисления КХД. Это метод теоретического расчета, основанный на компьютерном моделировании. В расчетные параметры закладываются базовые принципы физики сильных взаимодействий и проводится моделирование, в результате которого высчитывается вклад в АМММ. Все эти группы, в том числе и ИЯФ СО РАН, входят в международную неформальную коллаборацию G-2 Theorу Initiative.
«Разница между теорией и экспериментом, которую мы сейчас видим, составляет пять стандартных отклонений. Естественное объяснение такого несовпадения требует наличия новых частиц с массами порядка 100-200 ГэВ. Но эта область уже проверена на Большом адронном коллайдере, и мы знаем, что до уровня порядка 1000 ГэВ новых элементарных частиц не наблюдается, – заключает Иван Логашенко. – Модели Новой физики, которые объясняют такую большую разницу, становятся все более изощренными по мере того, как в экспериментах на БАК “закрываются” более простые возможности. Если уточненное предсказание теории приблизится к экспериментальному значению, это будет означать, что возможное “окно”, где надо ожидать новых частиц, сдвигается в область больших энергий, и в этом случае картина становится самосогласованной – то, что мы видим на БАК и то, что мы видим при помощи проверки АМММ, начинает согласовываться друг с другом. И очень важно увеличить точность теоретического расчета, ведь именно точность, с которой мы знаем разницу между теорией и экспериментом, определяет то, как сильно мы сможем ограничить параметры возможных моделей Новой физики (если разница будет совместима с нулем) или как точно мы сможем указать свойства новых частиц и взаимодействий (если разница будет значимой)».