Експериментът с Muon g-2 на Fermilab най-накрая дава на физиците на частиците намек за това, което се крие отвъд стандартния модел

След дългоочакваното откриване на Хигс бозон през 2012 г. физиците на елементарните частици изследват по-дълбоко в субатомната сфера с надеждата да проучат отвъд Стандартен модел на физиката на елементарните частици . По този начин те се надяват да потвърдят съществуването на неизвестни досега частици и съществуването на екзотична физика, както и да научат повече за това как е започнала Вселената.

В Национална ускорителна лаборатория Ферми (известен още като Fermilab), изследователите провеждат Експеримент с мюон g-2 , който наскоро обяви резултатите от първия им манш . Благодарение на безпрецедентната прецизност на техните инструменти, екипът на Fermilab установи, че мюоните в техния експеримент не се държат по начин, който е в съответствие със стандартния модел, разрешавайки несъответствие, което съществува от десетилетия.

Експериментите с мюони започнаха преди десетилетия в Европейска организация за ядрени изследвания (CERN) и бяха проведени наскоро в Брукхейвънска национална лаборатория (BNL) в Ню Йорк. През 2011 г. Fermilab пое мястото, където BNL спря и започна да посвещава своите мощни ускорители за изследване на взаимодействията на краткоживеещите мюонни частици със силно магнитно поле във вакуум.

Подобно на електроните (но с 200 пъти по-голяма маса), мюоните се появяват естествено, когато космическите лъчи ударят земната атмосфера. Друго сходство е начина, по който мюоните се държат като въртящи се магнити, чиято сила определя скоростта, с която те прецесират (гират) във външно магнитно поле (и е известно като „g-фактор“'). При мюоните техният g-фактор е малко по-голям от 2 (оттук и името на експеримента).

Целта на експеримента Muon g-2 е да се изследва скоростта на прецесия на мюоните, докато са подложени на силно магнитно поле. Чрез измерване на технитег-фактор с точност от 0,14 части на милион (ppm), изследователите, които съставляват Muon g?2 Collaboration, се надяват да видят дали поведението им е в съответствие с прогнозите, направени от Стандартния модел (SM). Ако не, това би означавало, че има физика, която надхвърля SM, която трябва да бъде отчетена.

Грациано Венанцони, физик в Италиански национален институт по ядрена физика (INFN), също е съговорител на експеримента Muon g-2. Както той обяви на 7 април^ти, по време на семинара, където резултатите от първия цикъл бяха оповестени публично, резултатите не бяха в съответствие с това, което SM прогнозира:

„Днес е необикновен ден, дългоочакван не само от нас, но и от цялата международна общност по физика. Голяма заслуга е на нашите млади изследователи, които със своя талант, идеи и ентусиазъм ни позволиха да постигнем този невероятен резултат.”

Предшественият експеримент в BNL на Министерството на енергетиката на САЩ, който приключи през 2001 г., предложи първите намеци, че мюоните не се държат по начин, който е в съответствие със стандартния модел. Първите резултати от експеримента Muon g-2 на Fermilab - най-прецизният до момента - са в съответствие с резултатите, получени от изследователския екип на BNL. В основата на двата експеримента е 15,25-метров (50 фута) свръхпроводящ магнитен пръстен за съхранение.

Магнитът Muon g-2 пристига във Fermilab през 2013 г. Кредит: Reidar Hahn, Fermilab

Този компонент беше транспортиран в Чикаго през 2013 г., където беше интегриран с ускорителя на частиците на Fermilab, за да произведе най-интензивния сноп мюони от всяка лаборатория в САЩ. Този лъч е насочен към пръстена за съхранение, където мюоните се ускоряват до скорости, близки до скоростта на светлината. Тъй като мюоните циркулират хиляди пъти, те взаимодействат с краткоживеещите субатомни частици, които постоянно се появяват и изчезват във вакуум.

Тези взаимодействия на квантово ниво влияят върху стойността на g-фактора, което води до ускоряване или забавяне на прецесията на мюоните. Това води до това, което е известно като „аномален диполен магнитен момент“, където ефектите от взаимодействията допринасят за магнитния момент на частица. Този ефект е нещо, което SM прогнозира с изключителна прецизност, но наличието на допълнителни сили извън SM или частици би имало допълнителен ефект.

Резултатите, получени от Fermilab и BNL, показват аномален магнитен момент, който се различава от това, което SM предсказва със значимост от 4,2 сигма. Освен това изследователите установиха, че има само 1 на 40 000 шанс резултатите им да се дължат на статистическа флуктуация. Каза Рене Фатеми, физик от университета в Кентъки и мениджър на симулации за експеримента Muon g-2:

„Това количество, което измерваме, отразява взаимодействията на мюона с всичко останало във Вселената. Но когато теоретиците изчисляват същото количество, използвайки всички известни сили и частици в Стандартния модел, ние не получаваме същия отговор. Това е силно доказателство, че мюонът е чувствителен към нещо, което не е в нашата най-добра теория.

„Определянето на финото поведение на мюоните е забележително постижение, което ще ръководи търсенето на физика отвъд Стандартния модел за години напред“, добави заместник-директорът на Fermilab по изследванията Джо Ликен. „Това е вълнуващо време за изследвания на физиката на елементарните частици и Fermilab е на преден план.

Първият резултат от експеримента Muon g-2 потвърждава резултата от експеримента, проведен в BNL преди две десетилетия. Кредит: Райън Постел/Fermilab/Muon g-2 сътрудничество

Въпреки че тези резултати са малко по-малко от стандартното отклонение от 5 сигма, което е необходимо за деклариране на положителен резултат, това все пак е силна индикация за допълнителна физика. Междувременно екипът на Fermilab е зает да анализира данните, получени по време на втория и третия цикъл на експеримента, за да види дали те може да са получили още по-убедителни резултати. Четвъртият цикъл е в ход, а петият е планиран за бъдещето.

Комбинирането на резултатите от всичките пет цикъла ще даде на изследователите още по-прецизно измерване на g-фактора на мюона. След десетилетия на изследвания учените може най-накрая да открият дали има допълнителна физика, която се крие в квантовата пяна, която прониква във времето и пространството. Каза ученият от Fermilab Крис Поли, водещ аспирант по експеримента в Брукхейвън и съговорител на настоящия експеримент:

„След 20-те години, изминали от края на експеримента в Брукхейвън, е толкова приятно най-накрая да разрешим тази мистерия. Досега анализирахме по-малко от 6% от данните, които експериментът в крайна сметка ще събере. Въпреки че тези първи резултати ни казват, че има интригуваща разлика със стандартния модел, ще научим много повече през следващите няколко години.

Констатациите на екипа на Fermilab също бяха споделени на 7 април^тив вестник, който се появи в Писма за физически преглед . Muon g?2 Collaboration е международен консорциум, който включва членове от изследователски институти и университети в САЩ, Италия, Русия, Южна Корея и Германия.

Допълнителна информация: Fermilab