Десятилетиями физики наблюдали загадочное расхождение в поведении мюона — субатомной частицы, похожей на электрон, но примерно в 200 раз тяжелее. Это несоответствие между экспериментальными данными и предсказаниями Стандартной модели наводило учёных на мысль о возможном открытии новой, пятой фундаментальной силы природы. Однако международная группа исследователей под руководством физика из Университета штата Пенсильвания Золтана Фодора объявила, что тайна раскрыта, и ответ не опровергает, а наоборот, подтверждает существующую физику. Результаты, опубликованные в журнале Nature, представляют один из самых точных расчётов в физике элементарных частиц, показывая, что расхождение, скорее всего, объяснялось ограничениями прежних вычислений.
В центре внимания находился так называемый магнитный момент мюона — величина, описывающая, как частица ведёт себя как крошечный магнит. Согласно квантовой теории, это значение должно равняться ровно двум, но оно незначительно смещается из-за виртуальных частиц, появляющихся и исчезающих в пустоте. Это отклонение, известное как g−2, делало мюон особенно чувствительным к квантовым эффектам, и на протяжении более 60 лет измерения на установках в ЦЕРНе, Брукхейвенской национальной лаборатории и Национальной ускорительной лаборатории Ферми указывали на несоответствие с теорией, достигающее 4.2 стандартных отклонений, что возбуждало надежды на открытие новых частиц или сил.
Чтобы разрешить загадку, команда Фодора потратила более десяти лет на разработку нового метода вычислений, основанного на решёточной квантовой хромодинамике — мощной вычислительной технике, симулирующей сильное ядерное взаимодействие с помощью суперкомпьютеров. Этот метод дискретизирует пространство-время на конечную четырёхмерную решётку с шагом около 0.05–0.1 фемтометра, размещая кварки в узлах, а глюонные поля — на связях между ними. Суперкомпьютеры выполняют метод Монте-Карло для численного интегрирования по всем возможным конфигурациям глюонного поля, вычисляя пропагаторы кварков. Затем, используя экстраполяцию к непрерывному пространству-времени и физическим массам кварков, получают предсказания для различных величин. Исследователи объединили эти расчёты с экспериментальными данными для разных расстояний, что позволило значительно уменьшить неопределённость. Конечный результат — согласование теории и эксперимента с точностью менее половины стандартного отклонения, что подтверждает Стандартную модель с точностью до 11 знаков после запятой.
Хотя это открытие закрывает один из самых интригующих пробелов в современной физике, оно не означает полного отсутствия новой физики. К числу других аномалий, указывающих на возможное существование физики за пределами Стандартной модели, относятся: нарушение лептонной универсальности в распадах B-мезонов, обнаруженное коллаборациями LHCb, BaBar и Belle; аномалии в угловых распределениях распадов B→K*μμ; наблюдаемое избыточное количество фотонов от распадов Be⁸ при 17 МэВ (возможный X17 бозон); а также измерения массы W-бозона коллаборацией CDF, показавшие значение на 7 сигм выше предсказаний Стандартной модели. «Когда мы начинали расчёты, то думали, что получим надёжное свидетельство в пользу пятой силы, — признаётся Фодор. — Вместо этого мы обнаружили, что пятой силы нет». Однако учёный считает, что результат не разочаровывает: «Мы не нашли пятую силу, но получили очень красивое и, вероятно, лучшее доказательство квантовой теории и того, как глубоко мы понимаем природу».
Хотя будущие эксперименты всё ещё могут выявить новые частицы или взаимодействия, одно из самых сильных указаний на существование физики за пределами Стандартной модели теперь выглядит гораздо менее убедительным. Работа, поддержанная Министерством энергетики США и Европейским исследовательским советом, показывает, что человечество способно проводить вычисления с невероятной точностью, объединяя электромагнитные, слабые и сильные взаимодействия в единое предсказание. И хотя мечта о новой силе природы отодвинулась, этот триумф теории подтверждает, что фундаментальные законы мироздания, как их представляет Стандартная модель, выдерживают самые взыскательные проверки.
Источник: Scientists were wrong about this “rule-breaking” particle