Последние новости науки

Аномальный магнитный момент мюона: физика за пределами Стандартной Модели?
8 февраля 2001 года были объявлены результаты измерения аномального магнитного момента мюона, и было отмечено, что данные слегка отличаются от теоретических предсказаний. Если результаты подтвердятся, то это будет первое экспериментальное наблюдение эффектов вне Стандартной Модели.

ДВА ПУТИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ ЧАСТИЦ

В современной экспериментальной физике элементарных частиц существуют два принципиальных пути исследования, два метода, с помощью которых ученые "всматриваются" во все более глубокую структуру нашего мира. Первый путь - это увеличение энергий сталкивающихся частиц. По сути, это прямой, самый непосредственный способ узнать, как же ведут себя частицы при сверхвысоких энергиях, а значит, как они устроены на сверхмалых расстояниях. Если уподобить современные физические исследования военной кампании, то это ничто иное, как прямая разведка боем: строя новый ускоритель, способный достичь рекордных энергий, ученые тем самым "на полном скаку" врываются в неизведанную ранее область.

Второй путь заключается в том, чтобы, проводя очень точные, прецизионные исследования при небольших энергиях, косвенно узнать о том, что творится в природе на очень малых масштабах. Этот метод "ведения боя" можно сравнить с радиоперехватом информации: здесь главную роль играет не мощь и сила, а аккуратное, кропотливое изучение всего, что поддается изучению.

Эти два способа с одной стороны взаимно дополняют друг друга, а с другой стороны - конкурируют. Ведь каждый из них стремится узнать что-то новое о природе. И один из самых главных предметов конкуренции, одна из самых важных задач, которые стоит сейчас перед экспериментаторами - это увидеть эффекты, не вписывающиеся в рамки Стандартной Модели.

СТАНДАРТНАЯ МОДЕЛЬ И ПОЧЕМУ ОНА НЕ НРАВИТСЯ ФИЗИКАМ

С точки зрения здравого смысла ситуация здесь может показаться несколько парадоксальной (ученые отчаянно ищут явления, не укладывающиеся в рамки уже построенных теорий), но тем не менее она очень характерна для фундаментальной физики. В настоящее время есть более-менее удовлетворительное понимание того, как элементарные частицы ведут себя при обычных энергиях. Все наблюдаемые частицы поддаются классификации, открыты все необходимые "строительные кирпичики" модели - так называемые фундаментальные частицы, из общего принципа калибровочной инвариантности выведены свойства всех взаимодействий в природе. Вся эта структура и называется Стандартной Моделью.

Однако Стандартная Модель, хотя и самосогласованная, все же не дает ответов на многие вопросы. Многое в ней не объясняется, а постулируется. А между тем, физикам ясно, что некоторые свойства Стандартной Модели, то есть свойства окружающего нас мира, должны следовать из каких-то более глубоких первооснов. Уж слишком подозрительны симметрии и совпадения, которые наблюдаются в Стандартной Модели!

Теоретики легки на подъем: за последние 20 лет они придумали бесчисленное множество самых разнообразных вариантов устройства природы при сверхбольших энергиях. И все эти варианты аккуратно переходят в добрую старую Стандартную Модель при малых энергиях. Но только какой из этих вариантов реально имеет место в природе? Это вопрос уже не к теории, а к эксперименту. Вот экспериментаторы и ищут эти ответ, ищут хоть что-то за пределами Стандартной Модели, что-то, что подсказало бы, какие из теорий лежат в основе основ, а какие - лишь изящная игра математики.

РЕЗУЛЬТАТЫ ПО ИЗМЕРЕНИЮ g-2 МЮОНА И ЧТО ИЗ НИХ СЛЕДУЕТ

8 февраля 2001 года на очередном собрании Брукхэвенской Национальной Лаборатории было объявлено, что, по всей видимости, первые проявления эффектов, выходящих за рамки Стандартной Модели, наконец-то обнаружены [1]. Речь идет об эксперименте по изучению аномального магнитного момента мюона, элементарной частицы, похожей на электрон и давно уже знакомой физикам.

Что такое магнитный момент частицы? Это ее характеристика, описывающее взаимодействие частицы с магнитным полем. В квантовой теории показывается, что магнитный момент элементарной частицы должен быть пропорционален ее спину, собственному моменту вращения. Коэффициент пропорциональности называют гиромагнитным отношением и представляют в виде произведения двух величин: магнетона (кванта магнитного момента) и безразмерного g-фактора.

В случае мюона этот g-фактор равен 2. Однако этот результат был получен, что называется, в первом приближении, без учета разнообразных виртуальных частиц, А виртуальные частицы, как мы знаем, присутствуют всегда и везде, а значит, будут влиять и на g-фактор мюона. Именно это отклонение g-фактора от 2 называется аномальным магнитным моментом мюона и исследуется в g-2 эксперименте в Брукхэвене. Поскольку в этом эксперименте главное - не сверхэнергия, а сверхточность, его смело можно отнести к экспериментальным идеям, использующим "тактику радиоперехвата".

На самом деле, одного только наблюдения того, что g-фактор отличается от 2, мало. Надо знать, на сколько именно отличается, то есть, чему равно g-2, и уж затем сравнивать результаты с прогнозом теоретиков. Предсказания же теории вполне четкие: все известные частицы вносят свой вклад в величину g-2, и если предположить, что других частиц за пределами Стандартной Модели нет, то ответ выглядит так: (g-2)теор = 0,0023318319 с точностью 0,6 ppm (т.е. миллионных долей). Долгое время экспериментаторы не могли приблизиться к этой точности, а потому не могли сказать наверняка, чувствуют ли они отличие от теоретических предсказаний или нет.

И вот было объявлено, что, тщательно анализируя экспериментальные данные, наработанные за 1999 год, g-2 коллаборация смогла понизить относительную погрешность измерений в три раза по сравнению с предыдущими экспериментами. Значение аномального момента оказалось таким: (g-2)эксп = 0,0023318404 с точностью 1,3 ppm.

Легко увидеть, что отличие экспериментальных результатов от предсказаний Стандартной Модели очень мало, 85.10-10. Однако это отклонение существенно превосходит погрешность измерений, которая составляла 32.10-10. Выражаясь на привычном физику языке, отклонение составляет 2,6 "сигмы" (то есть стандартных отклонений).

Окончательные выводы делать рано. Все-таки 2,6 "сигмы" - не настолько сильное отклонение, чтобы можно было говорить о свершившемся открытии. Но если оно подтвердится в дальнейшем (а у группы есть планы как можно скорее обработать данные за 2000 год и понизить погрешность еще в два раза), то этот эксперимент будет первым доказательством того, что Стандартная Модель в самом деле не последнее слово в физике элементарных частиц. На основании одних только данных по g-2 трудно, конечно, угадать, какая из теоретических конструкций, описывающих реальность вне Стандартной Модели, правильна, но этот эксперимент тоже послужит хорошей проверкой для теоретиков.

ССЫЛКИ:

[1] H.N.Brown et al, (Muon g-2 Collaboration), "Precise measurement of the positive muon anomalous magnetic moment" e-print archive: hep-ex/0102017, статья направлена в журнал Phys.Rev.Lett.
[2] http://phyppro1.phy.bnl.gov/g2muon/ - сайт коллаборации Muon g-2.




[ Предыдущее сообщение     Оглавление     Последующее сообщение ]



vlad@ssl.nsu.ru