Учёные из коллаборации Muon g-2 Collaboration достигли значительного прорыва в понимании фундаментальных свойств материи. Они измерили магнитный момент мюона с беспрецедентной точностью, превзойдя предыдущий рекорд более чем вдвое.

Этот результат является кульминацией серии экспериментов, начатых в 2006 году. Мюоны, известные как «тяжёлые электроны», были разогнаны почти до скорости света и подвергнуты воздействию магнитного поля в 30 000 раз сильнее земного. Это привело к прецессии мюонов вокруг своей оси вращения из-за собственного магнитного момента.

Физики внутри накопительного кольца Muon g-2 в Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке. Источник: Brookhaven National Laboratory (Брукхейвенская национальная лаборатория)

Сравнивая частоту прецессии с частотой циклирования вокруг кольца, исследователи смогли определить «аномальный магнитный момент» мюона с точностью до 0,2 частей на миллион. Это событие стало научным достижением и может помочь обнаружить новые физические явления за пределами Стандартной модели.

Мюоны в 207 раз массивнее электронов, но в остальном идентичны, с тем же электрическим зарядом и спином. Определение магнитных моментов лептонов является сложной задачей, требующей высокого уровня точности. Теоретическое предсказание магнитного момента мюона основано на квантовой электродинамике (КЭД) и требует вычисления тысяч сложных диаграмм Фейнмана.

Однако теория, предсказывающая аномальный магнитный момент мюона, отличается от теории электрона и более трудна для прогнозирования. Результат КЭД применим так же, как и для электрона, но с двумя дополнительными соображениями: вкладом электрослабой теории и вкладом адронов в Стандартной модели.

Экспериментаторы внесли поправки на множество систематических факторов, которые в противном случае могли бы исказить результаты. Данные были собраны в период с марта по июль 2019 года и с ноября 2019 года по март 2020 года. Второй и третий запуски содержали более чем в четыре раза больше данных, чем запуск 2018 года, и в целом данные охватывают три года.

Несмотря на то, что текущие данные улучшают точность более чем в два раза, группа в конечном итоге пришла к выводу, что сравнение с теорией пока невозможно. Даже для электронов необходимы некоторые предыдущие экспериментальные данные для корректировки теории адронных эффектов, и два эксперимента, доступные для этой корректировки, расходятся. Таким образом, высокое значение точности для магнитного момента мюона также ограничено.

Ещё три года данных ждут анализа, который, как ожидает группа, приведёт к повышению статистической точности (благодаря количеству измеренных мюонов) ещё примерно в 2 раза. Это достижение стало значительным шагом вперёд в понимании фундаментальных свойств материи и может помочь обнаружить новые физические явления за пределами Стандартной модели.

Подробнее на iXBT