Квантовая загадка разгадана физиками, но расчеты перестали сходиться

Свежие расчеты, по-видимому, проливают свет на давнюю загадку физики элементарных частиц, мучившую исследователей на протяжении четверти века. Тем не менее, они породили новые противоречия с данными других экспериментов.

Целых 25 лет ученые бились над аномалией, вероятность случайного появления которой оценивалась как один к миллиону. Теоретические прогнозы относительно прецессии определенных частиц в магнитном поле расходились с эмпирическими наблюдениями. Это несоответствие служило интригующим намеком на существование доселе неизвестных фундаментальных частиц.

Однако в 2021 году эта надежда, казалось бы, улетучилась. Усовершенствовав теоретический аппарат, исследователи добились потрясающего совпадения прогнозов с практическими результатами — погрешность сократилась до одной части на 100 миллиардов.

Впрочем, это достижение породило новую головоломку: прежние расчеты также выглядели безупречно. Почему же они разошлись с новыми данными? Старые выкладки опирались не только на чистую теорию, но и на результаты сторонних экспериментов. Если они противоречат свежим выводам, не таится ли системная ошибка в тех ранних опытах?

Интерпретировать ситуацию помогают эксперименты на сибирском ускорителе, где недавние измерения резко контрастируют с информацией, полученной ранее на этой и других установках. Такой поворот вызвал оживленную дискуссию: физики пытаются выяснить, вызваны ли расхождения методическими нюансами или же мы действительно столкнулись с проявлением новой физики.

Загадочные прецессии

В эпицентре научной интриги находится мюон — более тяжелый аналог электрона. Мюон ведет себя как миниатюрный магнитный диполь. Вращаясь по орбите в магнитном поле, он совершает дополнительные колебательные движения, описывая микроскопические круги. Радиус этих траекторий задается так называемым g-фактором.

Будь мюон изолирован от остальной материи, его g-фактор составлял бы ровно 2. Однако законы квантовой механики диктуют иное: на этот показатель влияет окружение из других частиц. Совершая колебания, мюон непрерывно испускает и мгновенно поглощает виртуальные частицы (например, фотоны), которые успевают порождать новые цепочки взаимодействий. В итоге единственным макроскопическим свидетельством этой бурной квантовой жизни становится усиление мюонных колебаний. Подобные сложные каскады излучений делают избыточную прецессию («g–2» мюона) уникальным инструментом познания квантового микромира.

«Анализ g–2 позволяет косвенно оценить всё многообразие частиц, существующих во Вселенной», — поясняет Алекс Кешаварzi, ведущий научный сотрудник Университетского колледжа Лондона.

Именно поэтому, когда в 2001 году в Брукхейвенской лаборатории (Нью-Йорк) экспериментально измеренный g-фактор мюона превысил теоретические ожидания, физики испытали эйфорию. Многие усмотрели в этом след неучтенных частиц, способных, например, пролить свет на природу темной материи.

Чтобы проверить гипотезу с беспрецедентной точностью, в 2013 году 15-метровое брукхейвенское магнитное кольцо с помощью барж и трейлеров перевезли в Фермилаб (Иллинойс), где эксперимент вышел на новый уровень.

Параллельно теоретики предприняли титанические усилия, чтобы досконально просчитать те самые запутанные цепочки квантовых взаимодействий мюона, учитывая вклад всех четырех фундаментальных сил природы.

Три силы из четырех поддаются расчету без серьезных затруднений. Гравитация пренебрежимо слаба в микромире, а электромагнитное и слабое взаимодействия описываются стандартными математическими моделями.

Однако сильное взаимодействие представляет собой куда более серьезный орешек. Оно накрепко объединяет кварки в составные элементы вроде протонов и нейтронов, делая классические расчеты бесполезными. Здесь ученым приходится идти на хитрости.

В своей кандидатской диссертации (2018) Кешаварзи усовершенствовал эмпирический подход к описанию сильного взаимодействия. Вместо попыток вычислить вероятность рождения кварков теоретически, исследователи обратились к прямым измерениям.

Главным инструментом для этого служат столкновения электронов с их антиподами — позитронами. Аннигиляция материи и антиматерии порождает каскады частиц, включая пучки кварков. Интенсивность рождения кварков отражает степень их квантовой связи с лептонами, а значит, и их влияние на динамику мюона.

Опираясь на эти эмпирические данные, физики рассчитали ожидаемое значение аномального магнитного момента. Опубликованный в июне 2020 года прогноз резко разошелся с результатами измерений Фермилаба, обнародованными в апреле 2021 года. Расхождение оказалось настолько внушительным, что почти дотянуло до статистического порога официального заявления об открытии новой физики.

Тем не менее, параллельная ветвь теоретических изысканий дала совершенно иной результат.

Дискуссия о решетках

Далеко не все исследователи пользовались эмпирическим методом. Часть научного сообщества пошла по пути сугубо теоретического моделирования.

Эту стратегию можно сравнить с прогнозированием погоды: хотя в теории можно просчитать траекторию каждой молекулы воздуха, на  практике это невыполнимо. Метеорологи делят атмосферу на трехмерную сетку и вычисляют усредненные параметры для каждого блока.

Аналогичным образом физики не могут отследить каждое кварк-кварковое взаимодействие сильного поля. Вместо этого они используют квантовую хромодинамику на решетке (решеточную КХД), моделируя коллективное поведение частиц на пространственной сетке.

В 2014 году коллаборация BMW (объединившая ученых из Будапешта, Марселя и Вупперталя) поставила задачу рассчитать g-фактор мюона с помощью решеточных симуляций.

Поначалу точность их прогнозов уступала эмпирическим расчетам на порядок. Из-за склонности низкоэнергетических частиц к рассеянию требовалась огромная сетка, в то время как высокоэнергетические процессы нуждались в мельчайшем шаге ячейки. «Тогда казалось немыслимым достичь точности» эмпирических методик, вспоминает профессор из Вупперталя Калман Сабо.

Лишь десятилетие упорной работы над вычислительными алгоритмами и рост процессорных мощностей позволили группе BMW построить оптимальную решетку. Их триумф состоялся в 2021 году: ровно в день публикации отчета Фермилаба журнал Nature выпустил статью группы BMW.

Согласно решеточным расчетам, мюоны в ускорителе Фермилаб ведут себя именно так, как предписано Стандартной моделью. Впоследствии независимые группы подтвердили эти выводы.

Сегодня многие эксперты склонны считать мюонную аномалию исчерпанной: симуляции показывают, что избыточная прецессия полностью объясняется рождением и поглощением известных частиц в рамках существующих законов.

Но почему тогда эмпирический подход упрямо указывает на иное?

Противоречивые эксперименты

Чтобы разрешить коллизию, физики с лупой изучают столкновения лептонов, лежащие в основе эмпирического метода. Эти процессы призваны служить зеркалом кварковой динамики, однако вычисления на их основе не бьются ни с решеточными симуляциями, ни с данными Фермилаба. Где кроется сбой?

На юге Сибири, в Новосибирском институте ядерной физики, коллайдер ВЭПП-2000 с начала двухтысячных годов сталкивает пучки электронов и позитронов. Это относительно компактная установка с энергией пучков, в 6000 раз уступающей Большому адронному коллайдеру в ЦЕРНе.

Детекторы ВЭПП-2000 с высокой точностью фиксируют рождение пионов — тех самых кварковых кластеров, по которым судят о вкладе сильного взаимодействия в мюонную прецессию.

После установки нового детектора в 2010 году новосибирская команда замерила скорость образования пионов с беспрецедентной детализацией (итоги опубликованы в 2023 году). Результаты оказались ошеломляющими: скорость генерации частиц заметно отличалась от прежних представлений.

«Это стало полной неожиданностью для всего сообщества», — признается Фёдор Игнатов, сотрудник Ливерпульского университета и участник коллаборации.

Тревожные звоночки звучали и раньше: расхождения между итальянскими и американскими экспериментами уже привлекали внимание. Но резкий контраст новых новосибирских данных с прошлыми измерениями на той же установке, подкрепленный высочайшей заявленной точностью, заставил ученых отнестись к проблеме со всей серьезностью.

Физики подвергли результаты жесточайшему аудиту. «Ни один другой эксперимент не проходил столь скрупулезную проверку», — подчеркивает Кешаварзи. На данный момент ошибок обнаружить не удалось.

Свежие решеточные симуляции гармонируют с обновленной скоростью образования пионов, намечая консенсус. Предварительные данные со второго детектора ВЭПП-2000 также подтверждают этот тренд. С другой стороны, повторный анализ архивных данных калифорнийского коллайдера BABAR, проведенный в 2023 году, неожиданно поддержал старые показатели.

Сложившаяся ситуация ставит перед физиками фундаментальный вопрос: что же в действительности происходит на коллайдерах? Наблюдаемые противоречия могут свидетельствовать как о вмешательстве экзотических частиц в поведение кварков, так и о неучтенных систематических погрешностях. В любом случае, физика высоких энергий не обретет покоя, пока эта электрон-позитронная аномалия не будет окончательно разрешена.

«Мы имеем за плечами четыре десятилетия экспериментов, выполненных разными методами и научными школами, картины которых пока не состыковываются в единый пазл», — резюмирует Кешаварзи. — «Впереди еще непочатый край работы».

 

Источник