Загадка мюона и новая физика: отрытые ученых бросает вызов квантовой теории

Мюоны являются субатомными частицами, которые имеют большую массу и не такие стабильные. Эти частицы действуют как крошечные магниты из-за своего электрического заряда и спина. Недавние исследования мюонов выявили несоответствие между наблюдаемым магнитным поведением частиц и теоретическими предсказаниями, что указывает на потенциальное открытие новых физических явлений или на необходимость обновления теорий квантовой механики, пишет Big Think.

У Фокус. Технологии появился свой Telegram-канал. Подписывайтесь, чтобы не пропускать самые свежие и захватывающие новости из мира науки!

Время от времени ученые сталкиваются с необычным явлением, изучение которого открывает что-то совершенно новое. Но другие открытия происходят потому, что предсказания и измерения не совпадают. В частности, это касается субатомного мира. Несоответствие, наблюдаемое в исследованиях магнитных свойств частицы мюон может оказаться открытием, которое заставит ученых переписать учебники по квантовому миру.

Мюоны

Мюоны являются более тяжелыми и менее стабильными родственниками электронов. Эти частицы примерно в 200 раз тяжелее электронов и живут примерно одну миллионную долю секунды. Как и электроны, они имеют электрический заряд и спин (собственный момент импульса элементарных частиц). Объединение заряда и спина мюонов позволяет им быть крошечными магнитами. Согласно законам квантовой механики, почти 100 лет назад физики предсказали, что магнитные свойства лептонов (сюда входят мюоны и электроны) будут иметь значение 2.

Магнитные свойства мюонов

Еще в 40-х годах прошлого века измерения магнитных свойств электрона показали, что они примерно на 0,1% выше, чем предсказания квантовой теории. Вскоре последовало измерение магнитных свойств мюона, которое показало аналогичные результаты.

За последующие десятилетия физики усовершенствовали как свои измерения, так и предсказания, получив числовые значения с точностью до 10 цифр для обоих значений. Но измерения и предсказания не согласуются в пределах погрешностей. Это может означать либо о том, что существует неизвестное физическое явление, либо же просто данные ошибочны.

Несоответствия в данных

Первое явное несоответствие физики наблюдали во время эксперимента "g-2", который провели Брукхейвенской национальой лаборатории (США) в 2004 году. Затем этот эксперимент провели с более мощным источником мюонов в Национальной ускорительной лаборатории им. Ферми (Фермилаб) в 2013 году. Было снова обнаружено несоответствие. Новый недавний эксперимент в Фермилаб подтвердил прошлые результаты.

Но с теоретической стороны все немного сложнее, в частности не все так просто если речь идет о магнитных свойствах мюона. Облако эфемерных частиц, окружающих мюон, появляется и исчезает, изменяя магнитные свойства мюона. Эффект многих известных частиц можно вычислить, но такими частицами как кварки дело обстоит сложнее. Кварки чаще всего встречаются внутри протонов и нейтронов.

Из-за сложности расчетов с участием кварков ученые часто применяли гибридный метод. Они использовали расчеты для определения вклада большинства эфемерных частиц, но использовали данные, полученные из других экспериментов, чтобы учесть эффект, обусловленный кварками. Данные совмещали с расчетами для получения окончательного предсказания.

Но предыдущие измерения не идеально соответствовали тому, что необходимо. Они проводились при более высокой энергии, чем было бы оптимально для предсказания магнитных свойств мюонов. Таким образом, ученым необходимо было скорректировать измерения, чтобы совместить их с расчетами. Именно тогда, когда гибридные предсказания сравнивали с измерениями g-2, наблюдалось несоответствие.

Для предсказания магнитных свойств мюонов ученые решили использовать другую метод. Они создали трехмерную решетку с интервалом примерно 10 в минус 16 степени, то есть это размер эквивалентный 1/10 размера протона. С помощью этой решетки ученые смогли рассчитать роль, которую кварки играют в предсказании магнитных свойств мюона.

Намек на новую физику?

Когда были выполнены расчеты, то получился неожиданный результат. Новый предсказание не согласовывалось ни с измерением g-2, ни с гибридным предсказанием.

То есть, сравнение измерений и предсказаний магнитных свойств мюонов не согласуются между собой. Потенциально это может стать огромным открытием, которое заставит ученых переписать учебники по квантовому миру.

Возможно ученые оказались на пороге открытия новой физики, но с другой стороны это может быть просто ошибка в данных. Для того, чтобы разобраться с этим, физикам потребуется пара лет и новые эксперименты.

Как уже писал Фокус, во время эксперимента ученые нашли ранее неизвестные изотопы тяжелых химических элементов.