Что такое мюоны в физике
Что такое мюоны в физике
На Земле мюоны регистрируются в космических лучах, они возникают в результате распада заряженных пионов. Пионы создаются в верхних слоях атмосферы первичными космическими лучами и имеют очень короткое время распада — несколько наносекунд. Время жизни мюонов тоже мало — 2,2 микросекунды. Однако мюоны космических лучей имеют скорости, близкие к скорости света, так что из-за эффекта замедления времени специальной теории относительности их легко обнаружить у поверхности Земли.
Содержание
Мюонные атомы
Мюоны были первыми открытыми элементарными частицами, которые не встречались в обычных атомах. Отрицательные мюоны могут, однако, формировать мюонные атомы, заменяя электроны в обычных атомах. Решение уравнения Шредингера для водородоподобного атома показывает, что характерный размер получаемых волновых функций (то есть радиус Бора, если решение проводится для атома водорода с привычным электроном) обратно пропорционален массе частицы движущейся вокруг атомного ядра. В силу того, что масса мюона более чем в двести раз превосходит массу электрона, размер получаемой «мюонной атомной орбитали» во столько же раз меньше аналогичной электронной. В результате, уже для ядер с зарядовым числом Z = 5-10 размеры мюонного облака сравнимы или не более чем на порядок превосходят размеры ядра, и неточечность ядра начинает оказывать сильное влияние на вид волновых функций мюона. Как следствие, изучение их энергетического спектра (иначе говоря, линий поглощения мюонного атома) позволяет «заглянуть» в ядро и исследовать его внутреннюю структуру. Также малые размеры атомов позволяют атомным ядрам сильно сблизиться и слиться, что используется для осуществления термоядерного синтеза (см. мюонный катализ).
Положительный мюон, остановленный в обычной материи, может связать электрон и сформировать мюоний (Mu) — атом, в котором мюон действует как ядро. Приведенная масса мюония и, следовательно, его боровский радиус близки к соответствующим величинам для водорода, вследствие чего этот короткоживущий атом в первом приближении ведет себя в химических реакциях как сверхлёгкий изотоп водорода.
История
Мюоны были обнаружены Карлом Андерсоном в 1936 году, во время исследования космических лучей. Он обнаружил частицы, которые при прохождении магнитного поля отклонялись в меньшей степени, чем электроны, но более резко, чем протоны. Было сделано предположение, что их электрический заряд был равен заряду электрона, и для объяснения различия в отклонении было необходимо, чтобы эти частицы имели промежуточную массу (лежащую где-то между массой электрона и массой протона).
По этой причине Андерсон первоначально назвал новую частицу «мезотрон», используя приставку «мезо-» (от греческого слова «промежуточный»). Вскоре после этого были обнаружены другие частицы промежуточной массы и был принят более общий термин мезон для обозначения любой такой частицы. В связи с необходимостью разных обозначений для различных типов мезонов, мезотрон был переименован в «мю-мезон» (от греческой буквы «мю»). До того, как был открыт пи-мезон, мюон считался кандидатом на роль переносчика сильного взаимодействия, который был необходим в незадолго до того разработанной теории Юкавы. Однако было обнаружено, что мюон не вступает в сильные взаимодействия, и некоторое время (до открытия пи-мезона) это поведение мюона оставалось загадкой.
Вскоре обнаружилось, что мю-мезон значительно отличается от других мезонов (например, его продукты распада включали нейтрино и антинейтрино, а не только либо одно, либо другое, что наблюдалось для других мезонов). Таким образом, мю-мезоны не были мезонами вообще, и термин «мю-мезон» был заменён современным термином «мюон».
В середине 1970-х годов физики-экспериментаторы, работающие в ЦЕРНе, исследовали рассеяние нейтрино на протонной мишени. Согласно тому, что было тогда известно о слабом взаимодействии, они ожидали, что столкновение превратит нейтрино в мюон, а протон в осколки. Они с удивлением обнаружили что в результате такого столкновения появляются два мюона, отрицательный и положительный.
Это вызвало большую теоретическую дискуссию, которая завершилась объяснением того, как появляется положительный мюон. Столкновение нейтрино и протона производит не только протонные осколки и отрицательный мюон, но и очарованный кварк, который вскоре распадается в странный кварк, мюонное нейтрино и положительный мюон.
Физики открыли пятую силу природы. Главное об эксперименте с мюоном g-2
Ученые обнаружили признаки существования пятой силы природы. В этом им помог эксперимент с мюоном g-2 — он показал отклонение от Стандартной модели. Рассказываем, что это такое, о какой новой силе идет речь и что стоит за новым открытием.
Читайте «Хайтек» в
С чего все началось?
Ученые из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) и Национальной ускорительной лаборатории Ферми вместе с сотрудниками из 46 других учреждений и семи стран проводят эксперимент, чтобы проверить наше нынешнее понимание Вселенной. Первый результат указывает на существование неоткрытых частиц или сил. Эта новая физика может помочь объяснить давние научные загадки, что приведет к новому пониманию нашей Вселенной и разработке новых технологий.
Представители проекта Muon g-2 («Мюон джи минус два») огласили первые результаты измерений магнитных свойств мюонов. Проект Muon g-2 — продолжение эксперимента, который начался в 90-х годах в Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США, когда ученые измерили магнитное свойство фундаментальной частицы, называемой мюоном. Эксперимент в Брукхейвене дал результат, который отличался от значения, предсказанного Стандартной моделью, лучшим описанием учеными структуры и поведения Вселенной. Новый эксперимент представляет собой воссоздание эксперимента Брукхейвена, созданный для того, чтобы оспорить или подтвердить несоответствие с более высокой точностью.
Недавно ученые выяснили, что в поведении мюонов есть почти неоспоримые следы «новой физики» — то есть явлений, которые не описывает основная теория физики элементарных частиц — так называемая Стандартная модель. Об этом рассказал официальный представитель проекта Крис Полли, выступая на онлайн-брифинге для журналистов.
«Мы 20 лет ожидали этого результата. Он критически важен для понимания того, что именно было причиной расхождения в измерениях 20-летней давности и предсказаниях Стандартной модели. Мы удвоили точность измерений и не нашли ничего, что противоречило бы прошлым результатам. Это дает большие надежды на открытие „новой физики“ в поведении мюонов», — рассказал ученый.
Два разных эксперимента с мюонами (в США и Европе) в итоге показали неожиданные результаты. Мюоны вели себя не так, как от них ожидали, за пределами Стандартной модели. Это может поменять представление ученых о том, как вообще все работает во Вселенной.
Опубликованные в 2021 году предварительные результаты экспериментов в ЦЕРНеи на объекте лаборатории Ферми в США бросают вызов представлениям физиков о Вселенной.
Что такое «новая физика»?
Стандартная модель — общепринятая на данный момент теоретическая конструкция, описывающая взаимодействие всех элементарных частиц во Вселенной. Свод правил, называемый Стандартной моделью, был разработан около 50 лет назад. Эксперименты, проводившиеся на протяжении десятилетий, снова и снова подтверждали, что его описания частиц и сил, которые составляют и управляют Вселенной, в значительной степени верны. До настоящего времени.
Теории, которые лежат за пределами Стандартной модели, включают в себя различные расширения Стандартной модели через суперсимметрию, такие, как Минимальная суперсимметричная стандартная модель и Следующая за минимальной суперсимметричная стандартная модель, либо совершенно новые объяснения, такие как теория струн, M-теория и дополнительные измерения. Поскольку эти теории, как правило, полностью согласуются с текущими наблюдаемыми явлениями или не доведены до состояния конкретных предсказаний, вопрос о том, какая теория является правильной (или по крайней мере «лучшим шагом» к Теории всего), может быть решен только с помощью экспериментов. В настоящее время это одна из наиболее активных областей исследований как в теоретической, так и в экспериментальной физике.
Стандартная модель очень точно предсказывает g-фактор мюона — значение, которое говорит ученым, как эта частица ведет себя в магнитном поле. Этот g-фактор, как известно, близок к значению два, и эксперименты измеряют его отклонение от двух, отсюда и название Muon g-2.
Эксперимент в Брукхейвене показал, что g-2 отличается от теоретического предсказания на несколько частей на миллион. Эта крохотная разница намекала на существование неизвестных взаимодействий между мюоном и магнитным полем — взаимодействий, которые могут включать новые частицы или силы.
К чему приведут новые открытия? Частицы, выходящие за рамки Стандартной модели, могут помочь объяснить загадочные явления, как природа темной материи, загадочной и широко распространенной субстанции, о существовании которой физики знают, но её еще предстоит обнаружить.
А что такое мюоны?
Вся наша Вселенная построена из частиц размером меньше атома. Некоторые из этих частиц состоят из еще более мелких частиц, другие уже не дробятся. Это и есть элементарные частицы.
Мюоны как раз и являются такими элементарными частицами: они похожи на электроны, только в 200 раз тяжелее.
В ходе эксперимента Muon g-2 частицы разгонялись по 14-метровому кольцу в циркулярном коллайдере под воздействием мощного магнитного поля.
Согласно известным законам физики, это должно было приводить к колебанию мюонов с определенной частотой. Однако физики обнаружили, что частота их колебаний оказалась выше предполагаемой. По их мнению, это может свидетельствовать о действии силы, ранее не известной науке.
Никто не знает точно, что еще, кроме воздействия на мюон, подвластно этой новой силе. Иными словами, поведение мюонов выходило за рамки того, что знают ученые. Физики задумались, а не причастна ли тут какая-то еще неизвестная, пятая сила?
О какой пятой силе идет речь?
Вся наша жизнь подчинена законам физики. Все эти силы, с которыми мы имеем дело каждый день, можно свести к четырем фундаментальным категориям взаимодействий: электромагнитное, сильное, слабое и гравитационное.
Четыре фундаментальных силы определяют взаимодействие всех объектов и частиц во Вселенной. К примеру, сила тяжести, она же гравитация, заставляет объекты падать на землю и не позволяет отрываться от нее без приложения другой силы.
Но, как утверждает международная команда физиков, в ходе исследований в рамках эксперимента Muon g-2, проводившихся в лаборатории городка Батавия рядом с Чикаго, они, возможно, обнаружили новую, пятую силу природы.
«Мы обнаружили, что взаимодействие мюонов не согласуется со Стандартной моделью, — рассказал в интервью «Би-би-си» руководитель эксперимента с британской стороны профессор Марк Ланкастер. — Понятно, что мы все в восторге, потому что это открывает будущее с новыми законами физики, новыми частицами и новыми, невиданными до сих пор силами».
Теоретики полагают, что она может быть каким-то образом связана с еще не открытой субатомной частицей.
Насчет этой гипотетической частицы есть сразу несколько предположений. Это может быть так называемый лептокварк (частица, переносящая информацию между кварками и лептонами) или Z-бозон (который сам для себя служит античастицей).
Эксперимент был поставлен в Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми (Фермилаб) в городе Батавия, штат Иллинойс, с целью изучения поведения субатомной частицы под названием мюон.
Два экспермента изменят наше понимание мира
Еще в прошлом месяце физики, проводившие эксперимент на Большом адронном коллайдере в Европе, отмечали, что полученные результаты могут свидетельствовать о наличии новой частицы и силы.
Долгое время в ЦЕРНе физики сталкивали протоны друг с другом, чтобы посмотреть, что произойдет после. Один из экспериментов измеряет, что происходит при столкновении частиц, называемых красными или нижними кварками.
Стандартная модель предсказывает, что эти крушения красивых кварков должны приводить к равному количеству электронов и мюонов. «Это похоже на подбрасывание монеты 1 000 раз и получение примерно равного количества орлов и решек», — сказал руководитель экспериментов по красоте на Большом адронном коллайдере Крис Паркс.
Но этого не произошло.
Исследователи внимательно изучили данные за несколько лет и несколько тысяч аварий и обнаружили разницу в 15%. При этом электронов значительно больше, чем мюонов, сказал исследователь эксперимента Шелдон Стоун из Университета Сиракьюса.
Что в итоге?
Первый результат нового эксперимента полностью согласуется с результатами Брукхейвена, что усиливает свидетельство того, что предстоит открыть новую физику. Объединенные результаты Фермилаба и Брукхейвена показывают отличие от Стандартной модели при значении 4,2 сигмы (или стандартных отклонений), что немного меньше, чем 5 сигм, которые необходимы ученым, чтобы заявить об открытии, но все же убедительное свидетельство новой физики. Вероятность того, что результаты являются статистическими колебаниями, составляет примерно 1 из 40 000. И все же данные заставили физиков во всем мире задуматься, верно ли наше понимание мира. Такого не было со времен открытия бозона Хиггса, часто называемого «частицей Бога».
Британский Совет по научно-техническому оборудованию уже объявил, что результаты экспериментов в США дают весомые подтверждения существованию доселе неизвестной субатомной частицы или новой силы.
По словам исследователей, повторное проведение экспериментов — запланированное в обоих случаях — через год или два позволит достичь невероятно строгих статистических требований, предъявляемых физиками к открытию.
Если результаты подтвердятся, они перевернут «все остальные вычисления», сделанные в мире физики элементарных частиц.
«Могут быть возобновлены усилия по поиску мюонов на Большом адронном коллайдере в поисках возможных намеков на новую физику, лежащую в основе значения g-2, — сказал Карлос Вагнер, физик-теоретик из Аргоннской HEP, который пытается объяснить эти явления. — Также может возобновиться интерес к созданию мюонного коллайдера, который может предоставить прямой способ проверки этой новой физики».
Как только ученые овладеют этой новой физикой, она сможет дать информацию космологическим и квантово-механическим моделям или даже помочь ученым изобрести новые технологии в будущем — возможно, следующую термоусадочную пленку.
В последние годы ученые столкнулись со множеством загадок Вселенной, и доказанное наличие новой силы очень помогло бы в их разгадке.
M-теория — современная физическая теория, созданная с целью объединения фундаментальных взаимодействий. В качестве базового объекта используется так называемая «брана» (многомерная мембрана) — протяжённый двухмерный или с большим числом измерений (n-брана) объект.
В середине 1990-х Эдвард Виттен и другие физики-теоретики обнаружили веские доказательства того, что различные суперструнные теории представляют собой различные предельные случаи неразработанной пока 11-мерной М-теории. Это открытие ознаменовало вторую суперструнную революцию.
В физике элементарных частиц нарушение CP-инвариантности — это нарушение комбинированной чётности (CP-симметрии), то есть неинвариантность законов физики относительно операции зеркального отражения с одновременной заменой всех частиц на античастицы.
Нейтринные осцилляции — превращения нейтрино в нейтрино другого сорта, или же в антинейтрино. Теория предсказывает наличие закона периодического изменения вероятности обнаружения частицы определённого сорта в зависимости от прошедшего с момента создания частицы собственного времени
Барионная асимметрия Вселенной — наблюдаемое преобладание в видимой части Вселенной вещества над антивеществом.
Что такое мюоны и для чего они нужны
Луис Альварес весьма интересовался египетскими пирамидами, особенно двумя гигантами, возведенными в Гизе во времена правления второго фараона Четвертой династии Древнего царства Хуфу (Хеопса) и его сына Хафры (Хефрена). Великая пирамида Хуфу имеет три погребальные камеры, расположенные друг над другом, а пирамида Хафры — всего одну, причем на уровне земли. Археологи давно предполагали, что в этой пирамиде есть и другие камеры, скрытые за толщей камня.
Седая древность
В 1965 году Альварес проверил эту гипотезу с помощью инструментария ядерной физики. Для просвечивания пирамиды он решил использовать мюоны, которые в изобилии возникают в ходе бомбардировки земной атмосферы первичными космическими лучами.
В погребальной камере пирамиды Хафры физики и археологи из США и Египта установили высокочувствительные искровые камеры, обычно используемые для исследования космических лучей. Эти детекторы предназначены для регистрации треков заряженных частиц в газовой среде. Расчет был на то, что если пирамида имеет замурованные погребальные камеры, расположенные выше детекторов, то их удастся обнаружить, так как воздух внутри камер пропустит больше мюонов, нежели строительные блоки из базальта, известняка и гранита.
Перед самым началом измерений разразилась Шестидневная война 1967 года, и зондирование пирамиды пришлось отложить. Позже ученые просветили около пятой части ее объема и не обнаружили никаких пустот. Это была первая попытка детектирования скрытых объектов с помощью космических лучей.
Занятие для мюонов
В 2005 году к этому проекту подключилась калифорнийская фирма Decision Sciences Corporation, и до этого задействованная в оборонных проектах. В кооперации с Лос-Аламосом она приступила к разработке крупногабаритных установок для мюонной томографии коммерческих грузов. Для регистрации мюонов было решено использовать дрейфовые камеры, газоразрядные детекторы частиц высоких энергий, вошедшие в употребление уже после эксперимента Альвареса.
На страже безопасности
В августе 2012 года Decision Sciences Corporation провела двухдневное тестирование опытного образца своего детектора на контейнерном терминале Фрипорта на Багамских островах. В ноябре ее президент Стэнтон Слоан объявил, что детекторный комплекс работает безупречно и обнаруживает все подлежащие выявлению объекты со стопроцентной надежностью. После первого раунда испытаний комплекс остался во Фрипорте для дальнейшего тестирования и в конце октября без потерь выдержал натиск урагана «Сэнди».
Окно в мир новой физики
Научное направление «Новая физика» объединяет ученых из разных лабораторий, работающих над общей задачей – увидеть косвенно или напрямую, чего не хватает в Стандартной модели элементарных частиц, и расширить понимание того, как устроен мир.
Лаборатория поиска взаимодействий за рамками Стандартной модели Новосибирского государственного университета была создана для участия команды университетских ученых и студентов в экспериментах мюонной программы Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (Фермилаб, США)
Современная теория элементарных частиц, которую мы называем Стандартной моделью, прекрасно описывает практически все явления, наблюдаемые в экспериментах, проводимых в лабораториях. Но по целому ряду причин физики уверены, что Стандартная модель не является полной, окончательной теорией. Например, множество независимых астрофизических наблюдений указывает на то, что значительную долю Вселенной составляет «темная материя», а в Стандартной модели для нее нет места. Поэтому поиск явлений «новой физики», не описанных Стандартной моделью, стал основным направлением исследований в физике элементарных частиц. Прямыми поисками новой физики занимаются ученые в экспериментах на Большом адронном коллайдере – они надеются зарегистрировать новые частицы, которые вылетели в результате столкновения протонов. Мы же работаем над получением косвенных указаний о существовании взаимодействий за рамками Стандартной модели.
В наших экспериментах используются интенсивные мюонные пучки. Мюон – давно открытая, хорошо известная частица. Мюоны стали для физиков популярным лабораторным объектом благодаря тому, что их научились производить в больших количествах. Для этого необходим интенсивный протонный ускоритель – пучок протонов после удара о мишень порождает в том числе пи-мезоны (пионы), которые в свою очередь распадаются на мюоны. Мюон живет очень долго в масштабах микромира – более двух микросекунд, этого времени хватает, чтобы провести очень точные измерения. Мюоны довольно тяжелые, более чем в 200 раз тяжелее электрона, это делает их особенно чувствительными к проявлениям новой физики.
В мире не так много лабораторий, в которых есть интенсивные протонные пучки. Два эксперимента, в которых участвует наша лаборатория, Mu2e и g-2, составляют мюонную программу Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми, или, как ее сокращенно называют, Фермилаб. Другая лаборатория, которая также входит в САЕ «Новая физика», лаборатория по поиску процессов с нарушением закона сохранения лептонного числа (заведующий лабораторией к. ф.-м. н. Д. Н. Григорьев), участвует в эксперименте COMET, «близнеце» американского Mu2e, который будет проводиться на ускорительном комплексе J-PARK в Японии, и в экспериментах MEG и MEG-II, которые проводятся в ускорительной лаборатории PSI в Швейцарии.
С вероятностью 10 –17
Мюон распадается на электрон и два нейтрино (мюонное нейтрино и электронное антинейтрино) – это самый обычный, полностью разрешенный в Стандартной модели процесс. На сегодняшний день надежно установлено, что многие элементарные частицы существуют в трех так называемых поколениях. Например, электрон – частица первого поколения, мюон тяжелый аналог электрона – частица второго поколения, тау-лептон – еще более тяжелый «близнец» электрона третьего поколения. У каждого поколения лептонов есть свое лептонное число, которое равно единице. Для античастиц лептонное число равно минус единице. В распаде мюона лептонные числа сохраняются. Действительно, мюон при распаде рождает электрон (частица из первого поколения) и электронное антинейтрино (античастица из первого поколения), суммарное лептонное число первого поколения которых равно нулю (0 = 1+«–1»). Кроме того, появляется еще мюонное нейтрино – частица из второго поколения, которая имеет такое же лептонное число второго поколения, а именно, единицу, как первоначальный мюон. Этот результат не случаен – во всех известных процессах Стандартной модели соблюдаются законы сохранения лептонных чисел поколений.
За последние два десятилетия были открыты нейтринные осцилляции – процесс превращения нейтрино одного поколения в нейтрино другого поколения. А значит, закон сохранения лептонных чисел оказался только приблизительным – переходы между поколениями без сохранения индивидуальных лептонных чисел существуют. Однако их вероятность исчезающе мала. Например, теперь мы знаем, что в Стандартной модели существуют механизмы, которые позволяют мюону распасться только на электрон и фотон, не родив больше ничего. Частица из второго поколения исчезнет, и не будет никакой компенсации ее лептонного числа, появится только частица из первого поколения. Но в Стандартной модели это очень сильно подавленный процесс. А именно: вероятность, что это произойдет, меньше чем 10 –54 – это практически невероятно, можно сказать, что практически запрещено. Цель экспериментов Mu2e и COMET заключается в том, чтобы обнаружить подобное превращение мюона в электрон в поле ядра алюминия, без испускания нейтрино. В таком превращении произойдет нарушение закона сохранения лептонного числа.
Ключевой момент эксперимента – получить интенсивный и чистый мюонный пучок. Идея была предложена в России для Московской мезонной фабрики физиками-ядерщиками академиком В. М. Лобашевым и Р. М. Джилкибаевым в 1989 г. Реализовать ее не получилось – для экономики страны в тот момент это была неподъемная задача. Ее подхватили американские ученые, которые в 2000-х гг. развивали проект MECO (Muon Electron COnversion) на базе Брукхейвенской национальной лаборатории (США). Но и американское правительство тогда не было готово поддерживать такие эксперименты. И вот теперь, по прошествии двадцати пяти лет этот эксперимент реализуется сразу в двух странах. В Японии накопление данных начнется в 2018 г., в США чуть позже – в начале 2020-х гг.
Как я уже говорил, до появления САЕ в эксперименте Mu2e я участвовал как сотрудник ИЯФа. Сейчас НГУ и ИЯФ являются полноценными участниками эксперимента. До текущего года Mu2e был на стадии проектирования. Мы занимались анализом дизайна эксперимента, оценивали различные источники фона.
В частности, необходимо было оценить, сколько мюонов на каждый протон, попавший на первичную мишень, дойдет до вторичной мишени, т. е. какая производительность будет у эксперимента. От этого зависит, сколько времени нужно работать, чтобы получить требуемую чувствительность. Для этого надо было понять, сколько пионов нужной энергии выйдет из мишени после попадания в нее протонов. Имеется много данных по экспериментам с энергичными частицами, а нас интересуют пионы достаточно малой энергии. Но хороших экспериментальных данных для нужных нам энергий нет. Нужно было понять, какие программы правильно оценивают их количество, сопоставить результаты расчетов с существующими экспериментальными данными.
Еще одна задача, которую нужно было решить на стадии проектирования, – оценить влияние локальных минимумов магнитного поля. Так как установка большая, сделать магнитное поле везде однородным сложно. Дизайн эксперимента продуман так, чтобы магнитное поле равномерно снижалось вдоль магнитного канала, это выталкивает частицы в область низких полей. Но если где-то возникает локальный минимум магнитного поля, то там будут накапливаться частицы, которые потом могут создать фон в сигнальной области. Мы занимались оценкой того, в каких частях установки возникают такие «ямы» и к какому эффекту они могут привести.
Мы проводили и другие расчеты такого рода. Все эти задачи важны на этапе уточнения дизайна эксперимента. Сейчас начался этап строительства Mu2e, а в ближайшие два-три года основные работы лаборатории будут связаны с экспериментом g-2, сбор данных на котором начнется в 2017 г.
Аномальный магнитный момент мюона
Muon (g-2) – еще один мюонный эксперимент, который, как мы надеемся, косвенным образом укажет нам на новую физику. Этот эксперимент также проводится в Фермилаб, он уже на последней стадии подготовки, набор данных начнется в 2017 г.
ЭКСПЕРИМЕНТ MUON (G-2) Ключевой элемент всего эксперимента – накопительное кольцо радиусом около 7 м с очень однородным магнитным полем внутри. Размеры установки не самые большие, но создать настолько однородное магнитное поле – сложнейшая задача. Но только в таких условиях можно точно измерить аномальный магнитный момент. Когда мюон попадает в однородное магнитное поле, он начинает двигаться по окружности, – другими словами, импульс мюона (направление его движения) вращается с частотой оборота по окружности. Аналогично собственный момент импульса мюона (спин) тоже вращается с некой частотой, которая немного отличается от частоты обращения. Оказывается, что частота прецессии (частота, с которой вектор спина вращается относительно направления импульса) строго пропорциональна аномальному магнитному моменту и величине магнитного поля. Поэтому в эксперименте мы измеряем частоту прецессии и величину магнитного поля и получаем величину аномального магнитного момента мюона.
Идея проста, но чтобы гарантировать точность эксперимента, необходимо создать очень однородное магнитное поле. Запуская мюон в неоднородное магнитное поле, мы не сможем отследить, где и при каких значениях магнитного поля пролетал мюон. Как же измерить магнитное поле в установке, ведь если на пути мюонов установить датчики, мюоны просто погибнут? Используется довольно сложная схема, когда периодически измеряется магнитное поле на пути мюонов, затем датчики убираются и проводятся измерения с мюонами, а поле при этом отслеживается с помощью датчиков, расположенных вокруг.
Мюон летает, спин прецессирует. Но откуда мы знаем, куда именно сейчас направлен спин у мюона? Здесь ученым помогает природа. Нормальный распад мюона – это электрон и два нейтрино. Электрон мы видим. Оказывается, что больше электронов летит туда, куда направлен спин мюонов. Установив на внутренней стороне кольца калориметры, мы можем детектировать количество электронов, которые в них попадают. И это количество будет периодически изменяться с частотой, равной частоте прецессии
Почему нам так интересна эта величина? Сама по себе она не является чем-то необыкновенным и уже тем более «аномальным» – это просто исторически сложившееся название. Оказывается, что в величину g-2 вносят вклад все существующие в природе взаимодействия. Главная особенность аномального магнитного момента мюона состоит в том, что эту величину можно очень точно рассчитать в рамках Стандартной модели. Так же точно ее можно измерить и экспериментально. Если мы увидим разницу между теоретическим и экспериментальным результатом, это будет означать, что Стандартной модели не хватает для объяснения величины g-2. Другими словами, разница будет вкладом новой физики.
Предыдущий эксперимент показал наличие расхождения на 3–4 стандартных отклонения. Каждый результат, будь то теоретический расчет или экспериментальное измерение – это число с погрешностью, измерение, как и большинство расчетов, не могут быть бесконечно точными. Чем больше разница между двумя точками относительно их ошибок, тем с большей уверенностью мы можем утверждать, что разница действительно существует. Разница в 3—4 стандартных отклонения (другими словами, в 3—4 суммарной ошибки измерения и расчета) – это не так много, чтобы мы могли уверенно говорить, что видим именно проявление новой физики, а не случайный выброс. И все-таки, те данные, что получили в Брукхейвенской лаборатории, очень интригующие, вероятность, что мы видим вклад новой физики, весьма значительна.
Чтобы двигаться дальше, нужен новый эксперимент, более точный. Схема эксперимента в Фермилаб в целом та же, что и в предыдущем. Более того, дизайн эксперимента был придуман в ЦЕРНе в 1970-х. гг. XX в. Основная идея с тех пор не изменилась, но благодаря развитию технологий мы можем лучше реализовать эту идею и выполнить более точное измерение – в четыре раза по – сравнению с Брукхейвенской лабораторией.
В эксперименте сделано много улучшений по сравнению с экспериментом в Брукхейвене. Например, уже получено магнитное поле, однородность которого в 3 раза лучше, чем было в БНЛ, а это напрямую влияет на точность измерения. В течение последних трех лет строилось, устанавливалось и настраивалось оборудование. В 2017 г. начнется предварительный сбор данных, а через год эксперимент войдет в рабочий режим. Для многих наших экспериментов характерен долгий этап запуска (здесь предполагается это сделать за несколько месяцев), и потом 2—3 года уйдет на сбор данных. Чем больше данных наберет эксперимент – тем лучше, тем выше точность измерения.
Как и большинство лабораторий САЕ «Новая физика», наша лаборатория – результат коллаборации между НГУ и Институтом ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН. Удивительным образом эксперименты, которые проводятся в ИЯФе, самым тесным образом связаны с экспериментом g-2 в Фермилаб. Фактически то, что мы делаем в ИЯФе, а именно, измерение адронных сечений на ускорительном комплексе ВЭПП-2000, позволит улучшить точность теоретического вычисления аномального магнитного момента мюона в рамках Стандартной модели.
На языке квантовой теории все взаимодействия мы рисуем с помощью диаграмм Фейнмана. И когда мы говорим, что мюон взаимодействует с магнитным полем – это значит, что мюон испускает или поглощает фотон. Испускание/поглощение и есть классическое взаимодействие с электрическим и магнитным полем. Но в квантовой теории возможны процессы, когда мюон испускает фотон и тут же «съедает» его. Это называется петлевые поправки, потому что на диаграммах они выглядят как петли. Именно наличие таких процессов приводит к ненулевому значению аномального магнитного момента.
Хорошо развитая техника вычислений, так называемая теория возмущений позволяет произвести расчет вклада электромагнитных и слабых взаимодействий в аномальный магнитный момент мюона с очень высокой точностью. К сожалению, для вычисления вклада сильных взаимодействий, когда в петлях появляются сильновзаимодействующие частицы (адроны), эта техника неприменима. Но 1960-х гг. был придуман изящный теоретический «трюк», который связывает вклад сильных взаимодействий с вероятностью рождения адронов при аннигиляции электрона и позитрона. Если мы знаем вероятность рождения адронов как функцию энергии, то эту функцию можно хитрым способом проинтегрировать и получить искомый вклад сильных взаимодействий (он еще называется адронной поляризацией вакуума) в аномальный магнитный момент мюона.
В области энергий до нескольких ГэВ эту вероятность нельзя вычислить, ее можно определить только в эксперименте. Измерить вероятность рождения адронов в области энергий до 2 ГэВ можно на ускорителе ВЭПП-2000 (ИЯФ СО РАН, Новосибирск). Интересно, что именно эта область энергий важна для определения вклада сильных взаимодействий в g-2 мюона. Для получения результата нам необходимо провести ряд экспериментов. Когда электрон и позитрон аннигилируют, рождается много различных комбинаций сильно взаимодействующих частиц. Мы изучаем каждую комбинацию по отдельности, что в итоге позволяет нам получить суммарную вероятность рождения адронов в этом процессе. Возможность напрямую измерить сечения аннигиляции электронов и позитронов в адроны при низких энергиях есть только у нас, потому что больше ни у кого нет такого ускорителя – ВЭПП-2000 обладает самой высокой производительностью в области энергии до 2 ГэВ. Но в мире существуют другие эксперименты, которые используют косвенные методы для измерения вероятности рождения адронов. В целом это очень активная область исследований, и у нас есть возможность получить наиболее точные результаты.
Стандартная модель очень многое предсказала. Бозон Хиггса стал последним недостающим звеном, которое было открыто совсем недавно. Но при этом мы знаем, что эта теория неполная. К сожалению, пока неизвестно, что находится «за пределами» Стандартной модели, «где» и «что» надо искать. Мы знаем, что при планковских энергиях (
10 19 ГэВ) теория совсем другая. И если новая физика начинается только там, то, увы, об этом мы никогда не узнаем. Но если вдруг новая физика проявляется уже при энергиях несколько ТэВ, то мы увидим это на Большом адронном коллайдере.
Мы пытаемся увидеть косвенные доказательства проявления новой физики, и это позволит нам «заглянуть» в область энергий, не доступных на БАК. Если, например, мы поймаем мюон, родивший в поле ядра с вероятностью 10 –16 только электрон, это будет огромная новость. Тогда теоретики сразу начнут подбирать модели, которые предсказывают такую величину сигнала. И мы узнаем, в каком направлении надо будет продолжать поиски. Таким образом, эксперименты, в которых мы участвуем, это часть большой программы по поиску новой физики. А результаты, ожидаемые в ближайшее десятилетие, должны значительно расширить горизонт наших поисков новой физики.
Bennett G.W. et al. Final Report of the Muon E821 Anomalous Magnetic Moment Measurement at BNL // Phys. Rev. D. 2006. V. 73. 072003
Grange J., Guarino V., Winter P. et al. Muon (g-2) Technical Design Report. 2015.
L. Bartoszek et al. Mu2e Technical Design Report. 2015.