Загадка мюона та нова фізика: відкриття вчених кидає виклик квантовій теорії

Мюони — це субатомні частинки, які мають більшу масу та не такі стабільні. Ці частинки діють як крихітні магніти через свій електричний заряд і спін. Нещодавні дослідження мюонів виявили невідповідність між спостережуваною магнітною поведінкою частинок і теоретичними передбаченнями, що вказує на потенційне відкриття нових фізичних явищ або на необхідність оновлення теорій квантової механіки, пише Big Think.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Час від часу вчені стикаються з незвичайним явищем, вивчення якого відкриває щось абсолютно нове. Але інші відкриття відбуваються тому, що передбачення та вимірювання не збігаються. Зокрема, це стосується субатомного світу. Невідповідність, що спостерігається в дослідженнях магнітних властивостей частинки мюон, може виявитися відкриттям, яке змусить учених переписати підручники з квантового світу.

Мюони

Мюони — це важчі та менш стабільні родичі електронів. Ці частинки приблизно у 200 разів важчі за електрони та живуть приблизно одну мільйонну частку секунди. Як і електрони, вони мають електричний заряд і спін (власний момент імпульсу елементарних частинок). Об'єднання заряду й спіна мюонів дозволяє їм бути крихітними магнітами. Згідно із законами квантової механіки, майже 100 років тому фізики передбачили, що магнітні властивості лептонів (сюди входять мюони й електрони) матимуть значення 2.

Магнітні властивості мюонів

Ще в 40-х роках минулого століття вимірювання магнітних властивостей електрона показали, що вони приблизно на 0,1% вищі, ніж передбачення квантової теорії. Незабаром було проведено вимірювання магнітних властивостей мюона, яке показало аналогічні результати.

За наступні десятиліття фізики вдосконалили як свої вимірювання, так і передбачення, отримавши числові значення з точністю до 10 цифр для обох значень. Але вимірювання та передбачення не узгоджуються в межах похибок. Це може означати або те, що існує невідоме фізичне явище, або ж просто дані помилкові.

Невідповідності в даних

Першу явну невідповідність фізики побачили під час експерименту "g-2", який провели в Брукгейвенській національній лабораторії (США) 2004 року. Потім цей експеримент провели з потужнішим джерелом мюонів у Національній прискорювальній лабораторії ім. Фермі (Фермілаб) у 2013 році. Фермі (Фермілаб) у 2013 році. Було знову виявлено невідповідність. Новий недавній експеримент у Фермілабі підтвердив минулі результати.

Але з теоретичного боку все трохи складніше, зокрема, не все так просто, якщо йдеться про магнітні властивості мюона. Хмара ефемерних частинок, що оточують мюон, з'являється та зникає, змінюючи магнітні властивості мюона. Ефект багатьох відомих частинок можна обчислити, але з такими частинками як кварки справа йде складніше. Кварки найчастіше зустрічаються всередині протонів і нейтронів.

Через складність розрахунків за участю кварків учені часто застосовували гібридний метод. Вони використовували розрахунки для визначення внеску більшості ефемерних частинок, але використовували дані, отримані з інших експериментів, щоб урахувати ефект, зумовлений кварками. Дані поєднували з розрахунками для отримання остаточного передбачення.

Але попередні вимірювання не ідеально відповідали тому, що необхідно. Їх проводили за вищої енергії, ніж було б оптимально для передбачення магнітних властивостей мюонів. Тому вченим необхідно було скоригувати вимірювання, щоб поєднати їх із розрахунками. Саме тоді, коли гібридні передбачення порівнювали з вимірюваннями g-2, спостерігалася невідповідність.

Для передбачення магнітних властивостей мюонів учені вирішили використати інший метод. Вони створили тривимірну решітку з інтервалом приблизно 10 у мінус 16 ступені, тобто це розмір еквівалентний 1/10 розміру протона. За допомогою цієї решітки вчені змогли розрахувати роль, яку кварки відіграють у передбаченні магнітних властивостей мюона.

Натяк на нову фізику?

Коли було виконано розрахунки, то вийшов несподіваний результат. Новий прогноз не узгоджувався ні з вимірюванням g-2, ні з гібридним прогнозом.

Тобто порівняння вимірювань і передбачень магнітних властивостей мюонів не узгоджуються між собою. Потенційно це може стати величезним відкриттям, яке змусить учених переписати підручники з квантового світу.

Можливо, вчені опинилися на порозі відкриття нової фізики, але, з іншого боку, це може бути просто помилка в даних. Для того, щоб розібратися з цим, фізикам знадобиться кілька років і нові експерименти.

Як уже писав Фокус, під час експерименту вчені знайшли раніше невідомі ізотопи важких хімічних елементів.