От надгробия Швингера до суперкомпьютеров: как решение загадки мюона изменит науку

В мире науки самые волнующие моменты наступают, когда полученные результаты не соответствуют ожиданиям, несмотря на все усилия. Для теоретиков это происходит, когда выведенные результаты противоречат экспериментально известным данным, а для экспериментаторов – когда измерения опровергают теоретические прогнозы. Такие несоответствия могут либо стать предвестниками научной революции, указывая на изъяны в фундаментальных основах науки, либо просто выявить ранее не обнаруженные ошибки.

На протяжении последних пятидесяти лет одной из главных задач в физике частиц было обнаружение расхождений между теорией и экспериментом в рамках Стандартной модели. Особое внимание уделялось магнитному моменту мюона, тяжелого и нестабильного родственника электрона. Эксперимент « Muon g-2 » в лаборатории Fermilab показал расхождение между теорией и экспериментом на уровне более 4 сигма, что приближает к стандарту открытия. Однако, является ли это свидетельством новой физики?

Согласно новым теоретическим расчетам нет : обнаружено, что проблема заключается в методике, используемой большинством теоретиков. Новые техники вычислений с использованием решеточной КХД (квантовой хромодинамики) показали, что теория и эксперимент согласуются, что указывает на решение этой загадки.

Когда частицы с электрическим зарядом движутся, они генерируют магнитное поле. Если частица вращается вокруг другой заряженной частицы или на своей оси, как электрон вокруг протона или Земля вокруг Солнца, она приобретает магнитный момент, действуя как магнитный диполь. В квантовой механике частицы ведут себя так, как будто у них есть внутренняя угловая скорость, или спин. Если бы Вселенная была чисто квантово-механической, значение «g» было бы ровно 2, как предсказано Дираком.

Однако значение «g» не равно 2 точно, что указывает на то, что Вселенная не описывается только старыми квантовыми механиками. Квантовая теория поля утверждает, что не только частицы, но и поля, ассоциированные с фундаментальными силами, тоже квантовые. Электрон, испытывающий электромагнитную силу, может обмениваться виртуальными и реальными частицами согласно квантовой теории поля.

В 1948 году Джулиан Швингер вычислил наибольший вклад в «g-2» для электрона и мюона, который стал настолько важным, что был выгравирован на его надгробии. Вопрос о «g-2» для мюона важен потому, что мюон, будучи тяжелее электрона, подвержен большему влиянию сильного взаимодействия. Эффекты от сильной силы проявляются на уровне одной части на миллиард, что и измеряет эксперимент Muon g-2 в Fermilab.

В апреле 2021 года значение «g-2» для мюона было измерено с высокой точностью. Новые результаты, объявленные в августе 2023 года, еще больше улучшили эту точность. Однако настоящим испытанием стало сравнение с теоретическими предсказаниями.

Традиционно эффекты квантовой электродинамики вычисляются путем сложных диаграммных расчетов, что не работает для сильного взаимодействия из-за его нелинейности. Метод r-отношения использует экспериментальные данные для косвенного вычисления вклада сильного взаимодействия, но может вносить систематические ошибки. Новые методы решеточной КХД, напротив, позволяют непосредственно вычислять вклад частиц и полей сильного взаимодействия в магнитный момент мюона.

Последние вычисления с использованием решеточной КХД показали, что они согласуются с экспериментальными результатами Fermilab, в то время как старые методы показали значительные расхождения. Это указывает на необходимость использования решеточной КХД для точных теоретических расчетов.

Таким образом, несмотря на надежды на открытие новой физики, эксперимент Muon g-2 подтвердил важность пересмотра методов теоретических вычислений. Благодаря новым методам решеточной КХД загадка магнитного момента мюона, похоже, наконец-то решена.