Мюоны указывают путь к невидимой вселенной
Международная группа физиков сообщила о том, что в экспериментах с элементарными частицами удалось обнаружить серьезные отклонения от теоретических предсказаний, даваемых Стандартной моделью. Измерялось "дрожание" заряженных мюонов в магнитном поле (мюоны испытывают взаимодействия с виртуальными частицами, рождающимися и вновь распадающимися в вакууме - вакуум "кипит", - чем-то это поведение напоминает известное по школьной программе броуновское движение). Нарушение Стандартной модели - это уже вполне ожидаемое событие (а надо отметить, что Стандартная модель физики элементарных частиц выдерживала все проверки экспериментом на протяжении трех десятков лет), многие ученые полагают, что благодаря этому откроются горизонты новой физики элементарных частиц. Результаты (основанные на данных, собранных в 2001 году, так как финансирование эксперимента прекращено) были оглашены на днях мюонной коллаборацией g-2 из американской Брукхэвенской национальной лаборатории (Brookhaven National Laboratory - BNL).
Группа "Мюон g минус 2" (Muon g-2 Collaboration) включает физиков из 12 лабораторий США, России, Японии, Нидерландов и Германии. В этом эксперименте на протонном синхротроне с переменным градиентом (Brookhaven's Alternating Gradient Synchrotron - AGS) измеряли так называемый "g-фактор", коэффициент, который связывает спин мюона (частицы, которая в 208 раз тяжелее электрона) и его магнитный момент. Протоны, сталкиваясь с мишенью, содержащей никель, порождают множество частиц, а некоторые из этих частиц в свою очередь распадаются на мюоны нужного типа, попадающие в кольцо, построенное из сверхпроводящих магнитов и снабженное 24 детекторами. Стандартные квантовые теории предсказывают, что для частиц вроде электронов и мюонов g = 2. Однако поправка на радиацию, вызванную непрерывным испусканием и повторным поглощением виртуальных частиц, приводит к тому, что g в точности не равно 2.
Эти искажения коэффициента могут быть вызваны как частицами, которые являются частью Стандартной модели, так и более экзотическими частицами, которые не включены в эту модель. Поэтому тщательное измерение разности между экспериментальными результатами и теоретическими предсказаниями может служить хорошим способом нащупать подход к совершенно новой физике вне Стандартной модели. Из современных теорий ведущим кандидатом на замену СМ является теория суперсимметрии, которая предсказывает, что все частицы из Стандартной модели на самом деле имеют еще так называемых суперпартнеров. Согласно некоторым теоретическим выкладкам "темное вещество", то есть материя, которая никак не поддается обнаружению, хотя во много раз перевешивает обычное вещество в космосе, фактически и состоит из огромных роев таких суперсимметричных частиц, пронизывающих пространство.
В брукхэвенских экспериментах уже наблюдались отклонения значения g-2 для положительных мюонов (информация об этом была обнародована в феврале 2001 года), а теперь все это подтверждено первыми измерениями g-2 для отрицательных мюонов. Последние данные, которые скомбинировали точность, достигнутую в предыдущих экспериментах, отличаются от теории на 2,9 среднеквадратичного (стандартного) отклонения ("сигма"). Если объединить все три результата, разность между теорией и экспериментом достигнет 2,8 "сигма".
Теоретическое значение учитывает вклады трех из четырех сил, существующих в природе: учитываются слабое, электромагнитное и сильное (ядерное) взаимодействия. В то время как вклады от слабых и электромагнитных сил могут быть рассчитаны теоретически, вклад от ядерных сил может быть определен только с помощью экспериментальных данных. Прямой путь при этом использует данные, полученные в экспериментах по столкновению электронов и позитронов (изучаются частицы, которые созданы в результате работы ядерных сил при таких столкновениях), а косвенный метод оперирует данными от распада тау-частиц, которые являются "тяжеловесными родственниками" мюона и электрона (все эти частицы являются лептонами; тау-частицу открыли в 1975 году стэнфордский физик Мартин Перл и его коллеги), и еще некоторыми дополнительными теоретическими предположениями. Данные, используемые при обоих методах, были получены на ускорителях России, Европы, Китая, и США. В настоящее время эти два метода находятся в плохом согласии один с другим, и в свете этого разногласия некоторые физики предпочитают использовать только прямой метод для определения теоретического значения (надо, однако, заметить, что при использовании косвенного метода несоответствие между теорией и экспериментом получается гораздо меньше - 1,4 среднеквадратичного отклонения).
"Тот факт, что наши измерения продолжают отклоняться от теории, может являться признаком того, что мы действительно видим новую физику за пределами Стандартной модели, - говорит Ли Робертс (Lee Roberts) из Бостонского университета, делавший доклад по результатам эксперимента. - Наш эксперимент теперь в 14 раз более точен, чем первый мюонный эксперимент g-2, выполненный в CERN в 1970-х годах, - и эта точность накладывает важные ограничения на потенциальные новые теории".
Источники:
New g-2 Measurement Deviates Further From Standard Model - BNL Web
Muons continue to defy Standard Model - PhysicsWeb
Subatomic Tracking Finds Clues to the Unseen Universe - New York Times
На иллюстрации:
Данные по мюонному аномальному магнитному моменту. Показано среднее трех измерений для положительного мюона, новый результат для отрицательного мюона и объединенное значение. Также показаны прямое (основанное на e+ e-) и косвенное (основанное на тау-частицах) теоретические значения (2003). С сайта www.bnl.gov
Обсудить
Дословно
Уильям Маркиано (William Marciano)
Недавний результат по g-2 добавил веса теории суперсимметрии в качестве основного кандидата на правильное описание новых физических эффектов, но нельзя ни в коем случае считать, что теория суперсимметрии получила однозначное подтверждение. Необходимы еще длительные теоретические исследования и дополнительные эксперименты.
Статьи по теме
Мюоны указывают путь к невидимой вселенной
Международная группа физиков из Брукхэвенской лаборатории сообщила о том, что в экспериментах с элементарными частицами удалось обнаружить серьезные отклонения от теоретических предсказаний, даваемых Стандартной моделью. Измерялось колебание мюонов в магнитном поле. Нарушение Стандартной модели - это уже вполне ожидаемое событие, многие ученые полагают, что благодаря этому откроются горизонты новой физики элементарных частиц.
Самые выдающиеся открытия 2003 года: темная энергия, пентакварки, бозе-конденсаты, квантовые компьютеры и др.
Многие западные издания выстраивают своеобразные хит-парады научных достижений уходящего 2003 года. Мы публикуем один из таких списков, составленный редакцией издания PhysicsWeb.
Рекордные вспышки позволили NASA разглядеть драконов на Солнце
Самой вероятной причиной мощных вспышек на Солнце, как показывают новые наблюдения, проведенные с помощью космического аппарата NASA под названием RHESSI, скорее всего являются крупномасштабные разрушения магнитных полей в атмосфере нашего светила - процесс, получивший наименование "магнитные пересоединения".
Большой взрыв руками физиков-ядерщиков: подтверждено получение кварк-глюонной плазмы
Недавние контрольные эксперименты добавили уверенности "творцам Большого взрыва" из Брукхэвена: похоже, им действительно удалось получить кварк-глюонную плазму - то есть материю, находящуюся в принципиально новом состоянии. Согласно современным теориям, кварк-глюонная плазма существовала только в первые 10-5 с после Большого взрыва. Когда-то предрекали, что подобные эксперименты могут привести чуть ли не к концу всей нашей Вселенной или, по меньшей мере, к формированию микроскопической черной дыры, которая затем затянет внутрь себя все, до чего сможет дотянуться.
Найдено направление "космического ливня", устроившего потоп в Солнечной системе
Едва ли не самая интригующая проблема, с которой в свое время столкнулись исследователи космических лучей, - это необходимость объяснения так называемого "колена" в спектре первичного космического излучения - избытка высокоэнергичных частиц. До сих пор однозначного объяснения этот феномен не получил, но последние исследования все увереннее связывают эту аномалию не с особенностью "работы" галактических магнитных полей или физикой межзвездного пространства, а с тем, что нас, землян, просто угораздило родиться в относительной близости от мощного "ускорителя" частиц определенной энергии, изрядно "попортившего" астрофизикам картину мира.
Загадка солнечных нейтрино решена
Удалось обнаружить эффект "исчезновения" нейтрино. Этот эффект свидетельствует о том, что нейтрино имеют массу и могут осциллировать - то есть превращаться из одного типа в другой. Стандартная модель элементарных частиц, которая успешно использовалась фундаментальной физикой с 70-х годов прошлого века, требует серьезной модернизации.
Обнаружены первые "молекулы" среди мезонов
X(3872) не сообразуется ни с одной из известных схем, описывающих структуру субатомных частиц, и теоретики теперь стоят перед непростой дилеммой: либо вносить существенные поправки в привычную и хорошо себя зарекомендовавшую Стандартную модель элементарных частиц, либо признать, что мы имеем дело с неведомым типом мезона, который содержит четыре кварка - тетракварком.
Мезоны устраивают "похороны" классической физике
Хорошо известные в квантовой механике неравенства Белла впервые были проверены в эксперименте с участием высокоэнергетичных частиц в лаборатории KEK в Японии. Причем именно нарушение этих знаменитых неравенств и является серьезным аргументом в пользу истинности современного понимания квантовой теории и позволяет "похоронить" так называемые "теории скрытых параметров", в определенном смысле привязанные к классической физике.
Новый кварктет: субатомные причуды в семействе пентачастиц
Удалось обнаружить никогда прежде не виданную элементарную частицу, составленную из пяти кварков и антикварков. Случаи рождения приблизительно 40 частиц нового типа были выявлены при анализе миллионов протон-протонных столкновений на сверхмощном протонном синхротроне в CERN. Это свидетельство в пользу существования ранее теоретически предсказанного целого семейства таких частиц.
Физики, возможно, наблюдали магнитные монополи
Поль Дирак в 1931 году выдвинул гипотезу, согласно которой в природе должны существовать некие экзотические частицы, являющиеся переносчиками изолированных "магнитных зарядов" - магнитные монополи. Но до сих пор все попытки обнаружить в эксперименте эти неуловимые частицы были безуспешными. Однако теперь группа физиков из Японии, Китая и Швейцарии утверждает, что им все-таки удалось найти косвенное свидетельство существования таких монополей Дирака.
Физики открыли "мятежную" субатомную частицу
На линейном ускорителе в Стэнфорде идентифицировали новую субатомную частицу Ds (2317). Эта частица представляет из себя необычный "сплав" "очарованного" кварка и "странного" антикварка. Ее масса оказалась существенно ниже, чем можно было бы ожидать. В качестве альтернативы рассматривается и такая возможность: частица могла бы быть в новом, до настоящего времени невиданном состоянии - ассоциация четырех кварков.
Super-WIMPs: темная материя может оказаться необнаружимой в принципе
90 % всей материи Вселенной не просто скрывается в виде "не испускающего свет" вещества, а содержится в форме частиц, названных super-WIMPs (сверхслабо- взаимодействующие массивные частицы), перед которыми, в отличие от "просто" WIMPs, совершенно бессильны все известные способы обнаружения темного вещества.
"Частица бога" не откроет тайну американцам
Один из ключевых вопросов современной физики высоких энергий - подтверждение или опровержение существования теоретически предсказанной еще в 1964 году экзотичной субатомной частицы, называемой бозоном Хиггса. Предполагается, что бозон Хиггса сыграл основную роль в механизме, посредством которого некоторые частицы (кварки, лептоны) во время Большого взрыва приобрели массу, а другие остались безмассовыми (фотоны).
Астрономы обнаружили "потерявшиеся" барионы
Астрономы обнаружили новый тип разогретого межгалактического газа, с помощью которого можно локализовать невидимое присутствие темного вещества во Вселенной. Газовое облако, в триллион раз массивнее, чем наше Солнце, и в 150 раз более горячее, окружает нашу местную группу галактик, в которую входит Млечный путь, туманность Андромеды и еще приблизительно 30 мелких галактик.
Разрешена одна из загадок космических лучей
Казалось бы, в одной-единственной цифре не может быть ничего выдающегося, однако это позволило не только разрешить споры о месте рождения пульсара и определить размер его нейтронной звезды (а стало быть, уточнить физическую модель этого объекта), но и, возможно, открыть одну из важнейших тайн космических лучей.
Экспериментаторы ищут новые силы, предсказанные теориями суперструн
Самый чувствительный на настоящее время эксперимент по оценке гравитационного взаимодействия на сверхмалых расстояниях не дал новых козырей в руки сторонников теории суперструн. Но, несмотря на все это, идеи дополнительных измерений становятся необычайно популярными в связи с кризисом стандартных физических моделей, не способных объяснить новые наблюдения - ускоренно расширяющейся Вселенной, в которой царит темная энергия.
Впервые удалось измерить скорость гравитации
Впервые с приемлемой точностью удалось измерить скорость гравитации. Измерялось небольшое видимое изменение позиции квазара, вызванное изгибом пути радиоволн от этого источника в поле тяготения Юпитера. Результат важен с точки зрения "закрытия" некоторых вариантов современных теорий и поддержки других - он связан с космологическими теориями множественных вселенных и так называемой теории струн или суперструн.
Постоянство гравитационной постоянной G под сомнением
Новый эксперимент швейцарских физиков, поставленный для уточнения значения гравитационной постоянной G, прибавил весомости довольно спорной теории, согласно которой на силу гравитации оказывает влияние магнитное поле Земли.
Силу, возникающую из пустоты, приспособят к чему-нибудь путному
Генрих Казимир еще в 1948 году предложил эксперимент, который мог бы подтвердить квантовую теорию физического вакуума (то, что вакуум на самом деле не пуст, а заполнен то и дело виртуально возникающими и исчезающими парами частиц и античастиц). Теперь американские исследователи сумели проверить этот эффект с точностью до 0,5 %. Выяснилось, что эффект Казимира действительно должен серьезно влиять на наноразмерные устройства.
Новости по теме
