Нерешённая 25-летняя загадка аномального магнитного момента мюона: ключевой прорыв в физике

На протяжении 25 лет прецизионные измерения характера “прецессии” мюона в магнитном поле оставались одной из важнейших нерешённых задач физики элементарных частиц. Ранние эксперименты показали расхождение между измеренным значением g-фактора мюона и теоретическими предсказаниями, что первоначально рассматривалось как возможный признак существования неизвестных частиц. Недавние новые теоретические расчёты и экспериментальный анализ привели к новому повороту в этой загадке.

Мюон — более массивный “родственник” электрона, который в магнитном поле прецессирует подобно микроскопическому магниту. Величина его дополнительной прецессии называется коэффициентом “g-2” мюона. Согласно квантовой теории, известные частицы и взаимодействия влияют на этот коэффициент через кратковременные квантовые флуктуации, поэтому g-2 мюона рассматривается как важное окно для проверки Стандартной модели и поиска потенциальной новой физики.

В 2001 году Брукхейвенская национальная лаборатория США измерила завышенное значение g-фактора мюона, что привлекло внимание физического сообщества. Впоследствии соответствующее магнитное кольцо было перевезено в Национальную ускорительную лабораторию Ферми в США, где модернизированный эксперимент продолжил повышать точность измерений. В 2021 году новые результаты измерений, опубликованные лабораторией Ферми, по-прежнему демонстрировали значительное расхождение с теоретическими предсказаниями, основанными на “методе, управляемом данными”, причём разрыв приближался к строгим критериям, необходимым для подтверждения нового открытия в физике элементарных частиц.

Так называемый метод, управляемый данными, использует экспериментальные данные, такие как пучки кварков, рождающиеся при аннигиляции электронов и позитронов, для вывода вклада сильного взаимодействия в g-2 мюона. Поскольку сильное взаимодействие трудно точно обработать стандартными аналитическими методами, этот подход долгое время использовался для расчёта теоретических предсказаний для мюона.

Однако альтернативный подход, основанный на решёточной квантовой хромодинамике, дал иной результат. Исследовательская группа BMW, состоящая из учёных из Будапешта (Венгрия), Марселя (Франция) и Вупперталя (Германия), после многолетних улучшений методов расчёта и повышения точности моделирования опубликовала свои результаты в 2021 году. Их решёточные расчёты показали, что прецессия мюона, измеренная в лаборатории Ферми, может быть объяснена известными частицами и известными взаимодействиями. Впоследствии другие независимые группы, занимающиеся решёточными расчётами, также получили схожие результаты, что привело многих физиков к мнению, что аномалия g-2 мюона, возможно, не является свидетельством существования новых частиц.

Возникла новая проблема: если расчёты решёточной квантовой хромодинамики верны, то почему данные электрон-позитронной аннигиляции, ранее поддерживавшие метод, управляемый данными, приводят к иным предсказаниям?

Один из ключевых вопросов указывает на коллайдер VEPP-2000 в Новосибирске, расположенном на юге Сибири в России. Эта установка измеряет частоту рождения кварковых пучков, таких как пионы, в столкновениях электронов и позитронов. Соответствующие данные являются важной основой для вывода влияния сильного взаимодействия на мюон. В 2023 году команда VEPP-2000 опубликовала результаты измерений частоты рождения пионов с использованием обновлённого детектора, которые значительно расходятся как с её собственными предыдущими данными, так и с результатами некоторых других экспериментов на коллайдерах.

Это расхождение вызвало широкую проверку со стороны физиков. Согласно имеющимся данным, на данный момент в этих измерениях не обнаружено явных проблем. В то же время новейшие результаты решёточного моделирования согласуются с новыми измеренными скоростями VEPP-2000, а предварительные данные второго детектора VEPP-2000, по-видимому, также поддерживают это направление. Однако анализ данных коллайдера BABAR в Калифорнии, проведённый в 2023 году, в большей степени согласуется со старыми значениями частоты рождения пионов.

В настоящее время физическое сообщество ещё не пришло к окончательному выводу относительно этих противоречивых результатов. Соответствующие расхождения могут быть связаны с экспериментальными процедурами, обработкой данных или ещё не выявленными систематическими ошибками, а также могут оставлять пространство для обсуждения признаков новых частиц. Пока не будет определена надёжность старых значений частоты рождения пионов по сравнению с новыми результатами измерений, проблема g-2 мюона останется ключевой темой исследований в физике элементарных частиц и квантовой хромодинамике.