Muon g-2

Muon g-2 — это экспериментальный проект по измерению аномального магнитного момента мюона, проводимый в лаборатории Ферми (Fermilab, США). Цель эксперимента — проверка предсказаний Стандартной модели физики элементарных частиц и поиск возможных отклонений, указывающих на новую физику за её пределами. Результаты, полученные в ходе эксперимента, считаются одними из наиболее точных и значимых в современной физике высоких энергий.

История

Теоретические предпосылки

Магнитный момент частицы связан с её спином и зарядом. Для точечной частицы, такой как электрон или мюон, предсказываемое значение магнитного момента (g-фактор) равно 2. Однако квантово-электродинамические поправки, обусловленные виртуальными частицами, приводят к небольшому отклонению — аномальному магнитному моменту a = (g-2)/2. Впервые это отклонение было теоретически предсказано Джулианом Швингером в 1948 году.

Первые эксперименты

Первые измерения аномального магнитного момента мюона были проведены в 1960-х годах в ЦЕРНе (Европейская организация по ядерным исследованиям). Эти эксперименты, хотя и были менее точными, подтвердили существование эффекта и заложили основу для дальнейших исследований.

Эксперимент E821 в Брукхейвене

В 1990-х годах эксперимент E821 в Брукхейвенской национальной лаборатории (США) значительно повысил точность измерений. Результаты, опубликованные в 2001 году, показали расхождение с теоретическими предсказаниями на уровне 2,6 стандартных отклонений (сигма). Это вызвало большой интерес, так как могло указывать на существование новых частиц или сил.

Эксперимент Muon g-2 в Фермилабе

В 2013 году оборудование из Брукхейвена было перевезено в лабораторию Ферми для проведения более точных измерений. Эксперимент получил название Muon g-2. Первые результаты, объявленные в апреле 2021 года, подтвердили расхождение с теорией на уровне 4,2 сигма. В 2023 году были опубликованы результаты второго этапа измерений, которые ещё больше повысили точность и подтвердили предыдущие данные.

Методология

Принцип измерения

Эксперимент основан на измерении прецессии спина мюона в магнитном поле. Мюоны, движущиеся по круговой орбите в однородном магнитном поле, испытывают прецессию спина с частотой, зависящей от аномального магнитного момента. Измеряя эту частоту, можно вычислить величину a = (g-2)/2.

Установка

Основной элемент установки — сверхпроводящий магнитный кольцевой накопитель диаметром около 14 метров, создающий однородное магнитное поле с индукцией около 1,45 Тл. Внутри кольца находятся детекторы, регистрирующие продукты распада мюонов (позитроны или электроны). Мюоны получаются из распада пионов, генерируемых протонным пучком.

Обработка данных

Для получения точного результата необходимо учитывать множество факторов, включая неоднородность магнитного поля, влияние электрических полей, а также эффекты, связанные с движением мюонов. Обработка данных включает сложные статистические методы и моделирование.

Результаты

Основные результаты

По состоянию на 2024 год, опубликованы результаты двух этапов эксперимента (Run-1 и Run-2). Объединённое значение аномального магнитного момента мюона составляет: a = 0,00116592059(22) (точность 0,19 ppm).

Сравнение с теорией

Теоретическое значение, предсказываемое Стандартной моделью, составляет: a = 0,00116591810(43) (точность 0,37 ppm).

Разница между экспериментальным и теоретическим значениями составляет (249 ± 63) × 10⁻¹¹, что соответствует отклонению на уровне 4,2 стандартных отклонений (сигма). Это расхождение является статистически значимым, но не достигает порога в 5 сигма, который обычно считается достаточным для открытия.

Значение для физики

Если расхождение подтвердится, это будет указывать на существование новых частиц или сил, не учтённых в Стандартной модели. Возможные объяснения включают:

• Суперсимметрия — гипотетическая симметрия между фермионами и бозонами, предсказывающая существование частиц-партнёров.
• Техницвет — теория, объясняющая механизм нарушения электрослабой симметрии.
• Дополнительные измерения — модели, предполагающие существование дополнительных пространственных измерений.

Критика и альтернативные объяснения

Теоретические неопределённости

Основная критика связана с теоретическими расчётами. Расчёт аномального магнитного момента мюона в Стандартной модели требует учёта вкладов от сильного взаимодействия (квантовой хромодинамики), которые сложно вычислить с высокой точностью. Разные группы теоретиков получают несколько различающиеся значения, что вносит неопределённость в интерпретацию результатов.

Экспериментальные погрешности

Хотя эксперимент Muon g-2 является одним из самых точных, существуют систематические погрешности, связанные с неоднородностью магнитного поля, эффектами электрического поля и другими факторами. Эти погрешности тщательно изучаются и минимизируются.

Возможные систематические ошибки

Некоторые исследователи высказывали предположения о возможных систематических ошибках, не учтённых в анализе данных. Однако последующие проверки и независимые анализы не подтвердили этих опасений.

Перспективы

Планируемые измерения

Эксперимент Muon g-2 продолжает сбор данных. Планируется провести ещё два этапа измерений (Run-3 и Run-4), которые должны повысить точность до 0,1 ppm. Ожидается, что окончательные результаты будут опубликованы в 2025–2026 годах.

Связь с другими экспериментами

Результаты Muon g-2 дополняются данными других экспериментов, таких как:

• LHCb (Большой адронный коллайдер, ЦЕРН) — изучает редкие распады частиц, которые также могут указывать на новую физику.
• Belle II (Япония) — исследует нарушения лептонной универсальности.
• J-PARC (Япония) — планирует провести независимое измерение аномального магнитного момента мюона с использованием другой методики.

Значение для фундаментальной физики

Если расхождение подтвердится, это станет одним из самых значительных открытий в физике элементарных частиц за последние десятилетия. Оно может привести к пересмотру Стандартной модели и открытию новых законов природы.

Интересные факты

• Точность измерений — эксперимент Muon g-2 является одним из самых точных в истории физики. Точность измерения магнитного поля составляет 0,1 ppm (частей на миллион).
• Сроки — подготовка эксперимента заняла более 10 лет, а сбор данных продолжается с 2018 года.
• Международное сотрудничество — в эксперименте участвуют более 200 учёных из 35 институтов 7 стран мира, включая США, Великобританию, Италию, Германию, Китай, Японию и Россию (российские учёные из Института ядерной физики СО РАН и других организаций вносят вклад в обработку данных и теоретические расчёты).
• Историческая параллель — аналогичное расхождение для электрона (аномальный магнитный момент) было объяснено квантовой электродинамикой, а для мюона оно может указывать на новую физику.

Источники

• Grange, J., et al. (2021). "Measurement of the Positive Muon Anomalous Magnetic Moment to 0.46 ppm." Physical Review Letters, 126(14), 141801.
• Abi, B., et al. (2021). "Measurement of the Positive Muon Anomalous Magnetic Moment to 0.46 ppm." Physical Review Letters, 126(14), 141801.
• Aoyama, T., et al. (2020). "The anomalous magnetic moment of the muon in the Standard Model." Physics Reports, 887, 1-166.
• Bennett, G. W., et al. (2006). "Final Report of the Muon E821 Anomalous Magnetic Moment Measurement at BNL." Physical Review D, 73(7), 072003.
• Jegerlehner, F. (2017). "The Anomalous Magnetic Moment of the Muon." Springer Tracts in Modern Physics, 274.