Фізики досягли рекордної точності у вимірюванні мюона

Фізики з експерименту Muon g-2 оприлюднили третє вимірювання магнітної аномалії мюона, досягнувши безпрецедентної точності 127 частин на мільярд. Цей результат перевершує первісну мету експериментального дизайну в 140 частин на мільярд і представляє найточніше вимірювання магнітної аномалії мюона у світі.

Експеримент Muon g-2 досліджує коливання фундаментальної частинки під назвою мюон. Мюони схожі на електрони, але приблизно в 200 разів масивніші. Подібно до електронів, мюони мають квантово-механічну властивість, яка називається спін і може інтерпретуватися як крихітний внутрішній магніт.

У присутності зовнішнього магнітного поля внутрішній магніт буде коливатися або прецесувати, як вісь обертового дзиги. Швидкість прецесії в магнітному полі залежить від властивостей мюона, які описуються числом під назвою g-фактор.

Теоретичні фізики обчислюють g-фактор на основі сучасних знань про те, як Всесвіт працює на фундаментальному рівні, що міститься в Стандартній моделі фізики частинок. Майже сто років тому значення g було передбачено як 2. Але експериментальні вимірювання незабаром показали, що g дещо відрізняється від 2 на величину, відому як магнітна аномалія мюона.

Магнітна аномалія мюона кодує ефекти всіх частинок Стандартної моделі, і теоретичні фізики можуть обчислити ці внески з неймовірною точністю. Однак попередні вимірювання, проведені в Брукхейвенській національній лабораторії в 1990-х і 2000-х роках, показали можливу розбіжність з теоретичним розрахунком того часу.

Коли експеримент не узгоджується з теорією, це може вказувати на нову фізику. Зокрема, фізики задавалися питанням, чи може ця розбіжність бути спричинена ще не відкритими частинками, які впливають на прецесію мюона.

Тому фізики вирішили модернізувати експеримент Muon g-2 для проведення більш точного вимірювання. У 2013 році магнітне накопичувальне кільце Брукхейвена було транспортовано з Лонг-Айленда, Нью-Йорк, до Фермілаб у Батавії, Іллінойс.

Після років значних модернізацій та покращень експеримент Fermilab Muon g-2 розпочався 31 травня 2017 року. Паралельно міжнародна співпраця теоретиків сформувала Ініціативу теорії Muon g-2 для покращення теоретичного розрахунку.

У 2020 році Ініціатива теорії опублікувала оновлене, більш точне значення Стандартної моделі, засноване на техніці, яка використовує вхідні дані з інших експериментів. Розбіжність з результатом цієї техніки продовжувала зростати в 2021 році, коли Фермілаб оголосив свій перший експериментальний результат, підтвердивши результат Брукхейвена з дещо покращеною точністю.

Водночас з'явилося нове теоретичне передбачення, засноване на другій техніці, яка значною мірою покладається на обчислювальну потужність. Це нове число було ближчим до експериментального вимірювання, звужуючи розбіжність.

Нещодавно Ініціатива теорії опублікувала нове передбачення, що поєднує результати кількох груп, які використовували нову обчислювальну техніку. Цей результат залишається ближчим до експериментального вимірювання, зменшуючи можливість нової фізики.

Однак теоретичні зусилля продовжуватимуться для розуміння розбіжності між підходами, заснованими на даних та обчислювальними підходами.

Останнє експериментальне значення магнітного моменту мюона з експерименту Фермілаб становить 0,001165920705. Це остаточне вимірювання базується на аналізі останніх трьох років даних, зібраних між 2021 і 2023 роками, у поєднанні з раніше опублікованими наборами даних.

Це більш ніж втричі збільшило розмір набору даних, використаного для їхнього другого результату в 2023 році, і дозволило співпраці нарешті досягти своєї мети точності, запропонованої в 2012 році. Це також представляє аналіз найякісніших даних експерименту.

Наприкінці другого періоду збору даних співпраця Muon g-2 завершила налаштування та покращення експерименту, які покращили якість пучка мюонів і зменшили невизначеності.

Регіна Рамейка, заступник директора Управління фізики високих енергій Міністерства енергетики США, заявила: «Аномальний магнітний момент або g-2 мюона важливий, оскільки забезпечує чутливий тест Стандартної моделі фізики частинок. Це захоплюючий результат, і приємно бачити, як експеримент приходить до остаточного завершення з точним вимірюванням».

Вона додала: «Цей довгоочікуваний результат є величезним досягненням точності і залишатиметься найточнішим вимірюванням магнітної аномалії мюона у світі протягом багатьох років. Незважаючи на недавні виклики з теоретичними передбаченнями, які зменшують докази нової фізики від мюона g-2, цей результат забезпечує суворий еталон для запропонованих розширень Стандартної моделі фізики частинок».

Доктор Пітер Вінтер, фізик з Аргоннської національної лабораторії та співречник співпраці Muon g-2, сказав: «Це дуже захоплюючий момент, оскільки ми не тільки досягли наших цілей, але й перевершили їх, що не дуже легко для цих точних вимірювань. За підтримки фінансових агентств та приймаючої лабораторії Фермілаб це було дуже успішним загалом, оскільки ми досягли або перевершили майже всі пункти, на які ми націлювалися».

Професор Лоуренс Гіббонс з Корнельського університету зазначив: «Протягом більш ніж століття g-2 багато чого навчав нас про природу природи. Захоплююче додати точне вимірювання, яке, я думаю, триватиме довго».

Доктор Саймон Корроді, фізик з Аргоннської національної лабораторії, підкреслив: «Як це було протягом десятиліть, магнітний момент мюона продовжує бути суворим еталоном Стандартної моделі. Новий експериментальний результат проливає нове світло на цю фундаментальну теорію і встановить еталон для будь-якого нового теоретичного розрахунку в майбутньому».

Нові результати будуть опубліковані в журналі Physical Review Letters. Це досягнення представляє кульмінацію багаторічних зусиль міжнародної команди вчених і встановлює новий стандарт точності в галузі фізики частинок.