Чи існує нова фізика за межами Стандартної моделі? Наше відкриття допоможе вирішити це питання

Автори: Домініка Василькова, постдокторська дослідниця Ліверпульського університету; Це Чжан, постдокторський дослідник Ліверпульського університету; Елія Боталіко, постдокторський дослідник Ліверпульського університету; Саскія Чериті, постдокторська дослідниця Ліверпульського університету, вивчає фізику елементарних частинок.

Незважаючи на свій величезний успіх у передбаченні існування нових частинок і сил, Стандартна модель фізики елементарних частинок, розроблена понад 50 років тому для пояснення найдрібніших будівельних блоків природи, не є повною «теорією всього», до якої прагнуть фізики.

Теорія має кілька проблем. Вона не описує ні гравітацію, ні невідомі компоненти, які складають більшу частину густини енергії у Всесвіті: темну матерію і темну енергію. Тому фізики елементарних частинок перебувають у пошуку будь-яких можливих відхилень від «очікуваної» поведінки, які могли б натякнути на нову фізику.

Зараз наша велика міжнародна команда фізиків, що працює над експериментом Muon g–2 у Національній прискорювальній лабораторії імені Енріко Фермі в США, провела вимірювання коливань певної фундаментальної частинки, що може мати значний вплив на стан Стандартної моделі.

Наша праця, яка ще не пройшла рецензування, але вже передана на розгляд для публікації у журналі «Physical Review Letters», підтверджує результати 2021 року і проливає світло на величезну загадку в теоретичній фізиці, одним з можливих рішень якої можуть бути нові частинки або сили, що впливають на вимірювання.

Одним із фундаментальних будівельних блоків Стандартної моделі є мюон — частинка, подібна до електрона, але у 200 разів масивніша. Мюон спричинив революцію у фізиці елементарних частинок — навіть його відкриття викликало шок.

Наш експеримент вивчає, як ці частинки взаємодіють з магнітним полем індукцією 1,45 Тесла. Це змушує мюони коливатися, як дзиґи, швидкість яких пропорційна напруженості поля.

У ході експерименту мільярди мюонів виробляються і накопичуються в кільцевому магніті діаметром 14 метрів, який називається накопичувальним кільцем. Зрештою, мюони розпадаються на електрони, які підраховують детектори, розташовані всередині кільця.

Ще одна примха природи полягає в тому, що кількість виявлених електронів змінюється пропорційно до швидкості коливань. Отже, підрахунок електронів показує нам швидкість коливань мюонів. І чим більше електронів ви підраховуєте, тим точнішим стає вимірювання.

Взаємодія між коливанням мюона і полем кількісно описується безрозмірною константою «g» — гіромагнітним співвідношенням. Фізик Поль Дирак передбачив, що його значення дорівнює g = 2. Але згідно з квантовою механікою, теорією субатомного світу, на яку спирається Стандартна модель, порожній простір заповнюється «віртуальними» частинками, які з’являються на мить, а потім знову зникають шляхом анігіляції.

Ці частинки впливають на взаємодію мюона з магнітним полем, збільшуючи g до трохи більше ніж 2. Саме тому експеримент, який вивчає цю різницю, називається «g–2». Будь-які відсутні у Стандартній моделі частинки змінюватимуть цей показник на величину, трохи більшу або меншу за передбачену, що робить цей експеримент потужним інструментом для пошуку нової фізики.

2004 року вимірювання в Брукгейвенській національній лабораторії в США виявили, що коливання відбуваються дещо швидше, ніж очікувалося, що потенційно свідчить про щось нове. У квітні 2021 року в лабораторії Фермі було проведено повторне вимірювання, яке підтвердило первинний результат і збільшило розрив між експериментом і теорією.

Тепер наше нове дослідження, проведене у лабораторії Фермі з використанням даних, зібраних у 2019 і 2020 роках, вивчає в чотири рази більше мюонів, ніж дослідження 2021 року, що зменшує загальну невизначеність удвічі. Це робить вимірювання найточнішим визначенням коливань мюона з усіх коли-небудь зроблених.

Підвищення рівня точності

На практиці експеримент набагато складніший, ніж просто підрахунок мюонів. Хоча статистичну невизначеність вдалося зменшити, були потрібні інші вдосконалення, щоб зробити вимірювання ще точнішими. Напрямок магнітного поля визначає вісь коливань, тому дуже важливо було тримати під контролем температурні коливання магніту.

Різниця в температурі також спричиняє розширення та стискання частин магніту, що дещо змінює магнітне поле. На нашому рівні точності навіть зміна в одну тисячну міліметра може мати величезний вплив на коливання. З цієї причини навколо кільця було встановлено термальне покриття, а в експериментальній залі — систему охолодження.

Інша складність полягає в тому, що мюони в кільці не хочуть залишатися на ідеально круглій орбіті — вони радше рухатимуться навколо і заповнюватимуть всі області кільця. Тому ми модернізували високовольтні системи, які спрямовують промінь у потрібне місце.

Зазвичай фізики елементарних частинок оцінюють, наскільки добре узгоджуються два результати (наприклад, теоретичний і експериментальний) за допомогою статистичного показника, який називають «сигмою». Це дозволяє оцінити ймовірність того, що будь-яка розбіжність є статистичною випадковістю. Однак у даному випадку це не має сенсу, оскільки стає все більш незрозуміло, з яким прогнозом Стандартної моделі ми повинні порівнювати результат.

Група теоретиків під назвою «Muon g–2 Theory Initiative» («Ініціатива з дослідження теорії g–2 мюона») розрахувала їхнє значення у 2020 році. Саме це значення використали у 2021 році, що дало сигму 4,2, а це означає, що ймовірність того, що результат був випадковістю, становила один до 40 000. Але з тих пір відбулися зміни, які дали нові прогнози: один з них — завдяки новому підходу іншої групи теоретиків.

Крім того, в рамках російської колаборації CMD–3 було проведено уточнені експериментальні виміри, які будуть враховані у нових розрахунках. Вони можуть змінити значення 2020 року, наблизивши їх до Стандартної моделі.

Очевидно, що з обох точок зору існують величезні проблеми, де теорія навіть не узгоджується з практикою. Наша спільна праця зараз спрямована на отримання остаточного експериментального результату, який очікується у 2025 році, з використанням повного набору даних — понад у два рази більшого обсягу даних. Але поки не буде вирішено теоретичних суперечностей, виникатимуть сумніви щодо будь-якої інтерпретації розбіжностей між Стандартною моделлю та експериментальними даними.

Можливі два варіанти розвитку подій. Теорія та експеримент можуть зрештою не збігтися, що означатиме, що тут увесь час ховалися нові частинки чи сили природи. Це може означати, що Стандартна модель в кінцевому підсумку зазнає краху і потребуватиме оновлення. Або ж нові передбачення закриють прогалину, що стане потужним поштовхом для Стандартної моделі.

У будь-якому випадку наші надточні вимірювання створюють основу для остаточного вирішення цього питання.

Стаття вперше була опублікована англійською мовою під назвою « Is there new physics beyond the Standard Model of particle physics? Our finding will help settle the question» в журналі The Conversation 10 серпня 2023 року.

Переклали Ірина Бачуріна та Ліана Верещака