Физики разгадали большую квантовую загадку, и теперь у них не сходятся расчёты

Новые расчёты, похоже, разрешили 25-летнюю загадку в области физики частиц. Однако они также привели к несоответствию с другими экспериментальными результатами.

На протяжении 25 лет физики были озадачены проблемой, вероятность возникновения которой составляла одну миллионную. Их прогнозы относительно того, как определённые частицы должны колебаться в магнитном поле, противоречили тому, что они наблюдали в экспериментах. Это несоответствие было интригующим намёком на то, что они, возможно, обнаружили доказательства существования неизвестных частиц.

Но в 2021 году этот намёк, казалось, испарился. Когда исследователи усовершенствовали метод теоретических расчётов, они обнаружили, что их предсказания совпадают с экспериментальными результатами гораздо точнее, чем раньше — с точностью до одной части на 100 миллиардов.

Однако это, в свою очередь, породило новую загадку: старые расчёты кажутся вполне обоснованными. Так почему же они не совпадают с новыми? Те старые предсказания не были основаны исключительно на теории; они также были выведены на основе других экспериментов. Если старые расчёты противоречили новым результатам, а сами старые расчёты основывались на экспериментальных данных, то не происходило ли что‑то странное в старых экспериментах?

Один из многообещающих ключей к разгадке даёт ускоритель частиц в Сибири, где в последнее время результаты экспериментов стали резко расходиться с данными, полученными ранее как на этом, так и на других ускорителях. Эти результаты вызвали бурную активность: физики пытаются определить, являются ли противоречивые измерения побочным эффектом различий в экспериментальных процедурах или же это признак того, что новые частицы всё‑таки появляются.

Странные колебания

Частица, находящаяся в центре этой загадки, — мюон, более тяжёлый «родственник» электрона. Мюон ведёт себя примерно как крошечный стержневой магнит. Если вращать его по кругу в магнитном поле, это поле заставит его колебаться, описывая собственные, более мелкие круги. Размеры этих кругов определяются величиной, называемой «g‑фактором».

Если бы мюон находился в изоляции от других частиц, его g‑фактор равнялся бы ровно 2. Но квантовая теория требует, чтобы все остальные частицы влияли на g‑фактор. Когда мюон колеблется, он испускает частицы, такие как фотоны, которые живут слишком мало для того, чтобы их можно было зафиксировать в детекторах. Эти частицы могут испускать другие частицы, которые, в свою очередь, могут испускать ещё больше частиц. Мюон быстро поглощает все эти мимолётные частицы, и единственный след, который они оставляют, — это то, что мюон колеблется чуть сильнее. Благодаря этим сложным цепочкам излучения и поглощения каждая существующая частица оказывает небольшое влияние на движение мюона.

Именно поэтому точная величина избыточного колебания — «g–2» мюона — представляет собой бесценное окно в квантовый мир. «Измерение g–2 мюона позволяет косвенно определить, сколько частиц существует во Вселенной», — сказал Алекс Кешаварзи ^[1], старший научный сотрудник Университетского колледжа Лондона.

Поэтому, когда в 2001 году в ходе эксперимента в Брукхейвенской национальной лаборатории на Лонг‑Айленде был измерен g‑фактор мюона, физики были в восторге от того, что он оказался больше, чем ожидалось. Для некоторых это намекало на то, что в действии участвуют новые частицы — возможно, даже те, которые могли бы объяснить существование тёмной материи.

Физики решили проверить этот результат с помощью ещё более точного измерения. В 2013 году магнитное кольцо Брукхейвена шириной 15 метров было перевезено с помощью сложной системы барж и грузовиков в Национальную ускорительную лабораторию Ферми (Фермилаб) в Иллинойсе, где в рамках усовершенствованной версии эксперимента планировалось собрать ещё больше данных.

Готовясь к этому новому эксперименту, физики также приложили огромные усилия, чтобы разобраться в теоретическом предсказании, которое не согласовывалось с данными. Их задача заключалась в том, чтобы до мельчайших деталей понять цепочки излучения и поглощения мюонов. В частности, в какой степени частицы, связанные с каждой из четырёх фундаментальных сил природы, участвуют в этих цепочках?

Расчёт для трёх из четырёх сил природы не представляет сложности. Сила тяготения настолько слаба, что физики могут её полностью игнорировать. А электромагнитное взаимодействие и слабое ядерное взаимодействие можно вывести с помощью стандартных методов.

С сильным взаимодействием, однако, дело обстоит не так просто. Эта сила прочно связывает частицы, известные как кварки, в составные частицы, такие как протоны и нейтроны. Стандартные теоретические методы не работают в случае сильного взаимодействия. Поэтому физикам приходится проявлять изобретательность.

В своей докторской диссертации ^[2], защищённой в 2018 году, Кешаварзи помог усовершенствовать альтернативный подход к пониманию сильного взаимодействия, называемый методом, основанным на данных. В рамках этого метода физики не пытаются предсказать, как часто мюоны будут испускать и поглощать группы кварков. Они проводят эксперименты и измеряют это.

Основной способ сделать это — столкновение электронов с их антиматериальными партнёрами, позитронами. Материя и антиматерия аннигилируют друг друга, создавая другие частицы, в том числе пучки кварков. Если появляется много кварков, физики понимают, что между ними и такими частицами, как электроны и позитроны, существует тесная квантовая связь. Короче говоря, чем больше кварков появляется при столкновениях электронов с позитронами, тем сильнее они будут влиять на мюон.

Используя метод, основанный на данных, физики приступили к расчёту ожидаемого значения магнитного колебания мюона. Этот прогноз ^[3], опубликованный в июне 2020 года, резко расходился с точными экспериментальными измерениями Фермилаба, результаты ^[4]которых были обнародованы в апреле 2021 года. Расхождение было настолько значительным, что едва не превысило строгий порог, необходимый для того, чтобы физики могли заявить об открытии новых частиц.

Однако другой теоретический расчёт давал иной результат.

Спор о решётках

Не все физики использовали метод, основанный на данных, для расчёта колебаний мюона. Некоторые работали над более теоретическим подходом для составления своих прогнозов.

Этот подход напоминает то, что происходит при прогнозировании погоды. Хотя теоретически можно было бы изучать погоду, отслеживая точный вектор каждого дуновения ветерка в атмосфере, на практике эта задача абсурдна. Вместо этого метеорологи делят атмосферу на большие ячейки — трёхмерную сетку — и рассчитывают, как каждая ячейка в среднем изменяется со временем.

Точно так же физикам слишком сложно отслеживать каждое взаимодействие сильного взаимодействия между каждой парой кварков. Поэтому физики используют метод, называемый решёточной КХД (сокращение от «квантовая хромодинамика», теория сильного взаимодействия), чтобы с помощью большой сетки моделировать общее поведение кварков.

В 2014 году группа исследователей из Будапешта (Венгрия), Марселя (Франция) и Вупперталя (Германия) — так называемая «группа BMW» — приступила к реализации проекта по расчёту g‑фактора мюона с помощью решёточной квантовой хромодинамики.

Сначала их предсказания были в 10 раз менее точными, чем выводы, основанные на данных. Низкоэнергетические частицы имеют тенденцию к рассеиванию, поэтому для определения их возможных положений требуется использовать огромную решётку. Для высокоэнергетических частиц нужна решётка поменьше, но с чрезвычайно мелкой сеткой. «Тогда было невообразимо, что однажды решёточные расчёты достигнут той же точности», что и метод, основанный на данных, — сказал Калман Сабо ^[5], профессор из Вупперталя, участвовавший в этой работе.

Потребовалось десятилетие разработки инновационных вычислительных методов — и ожидания роста вычислительной мощности — чтобы группе BMW удалось создать решётки, которые были бы одновременно достаточно большими и достаточно детальными. Но им это удалось. В 2021 году, в тот же день, когда Фермилаб опубликовал свои обновлённые результаты измерения g–2 мюона, результаты работы ^[6] группы BMW появились в журнале Nature.

Согласно решёточным расчётам группы BMW, мюоны Фермилаба колебались именно так, как и должны были. С тех пор независимые группы, занимающиеся решёточными расчётами, опубликовали совпадающие результаты.

Сегодня многие физики считают, что загадка мюона разгадана: согласно результатам решёточных симуляций, дополнительное колебание мюона можно полностью объяснить излучением и повторным поглощением известных частиц, подчиняющихся известным законам известных сил.

Так почему же метод, основанный на данных, указывает на обратное?

Не совпадающие друг с другом эксперименты

Чтобы понять, что происходит, физики тщательно анализируют столкновения электронов и позитронов, лежащие в основе метода, основанного на данных. Эти столкновения должны служить прямым окном в поведение кварков, но расчёты, основанные на этих данных, не согласуются ни с последними экспериментальными результатами, ни с предсказанием BMW. Так что же на самом деле происходит после этих столкновений?

В Новосибирске на юге Сибири коллайдер VEPP-2000 с начала нового тысячелетия периодически сталкивает электроны с позитронами. Это относительно «мягкий» коллайдер, работающий с энергией в 6000 раз ниже, чем Большой адронный коллайдер ЦЕРН, расположенный недалеко от Женевы.

VEPP-2000 оснащён двумя детекторами, которые точно подсчитывают, как часто определённые пучки кварков, известные как пионы, возникают в результате столкновений электронов и позитронов — эти данные физики использовали для вывода о том, насколько сильно сильное взаимодействие влияет на мюоны.

В 2010 году физики установили совершенно новый детектор. Затем они использовали его для более точного измерения скорости образования пионов, результаты ^[7]которого были опубликованы в 2023 году. После модернизации они обнаружили, что эта скорость значительно изменилась.

«Это было неожиданностью. Никто не предполагал, что так получится», — сказал Фёдор Игнатов ^[8], физик из Ливерпульского университета в Великобритании и член исследовательской группы.

Физики замечали некоторые признаки того, что с частотой образования пионов происходит что‑то странное. Они обратили внимание на то, что результаты измерений, полученные в ходе экспериментов в Италии и США, начали расходиться. Однако резкое расхождение новых данных с предыдущими результатами, полученными на этом же детекторе, а также заявление коллаборации о высокой точности измерений не позволяли игнорировать эту ситуацию.

Физики тщательно изучили этот результат. «Ни одно измерение не подвергалось столь тщательному анализу», — сказал Кешаварзи. Пока что никаких проблем обнаружено не было.

Недавние моделирования на основе решётки согласуются с вновь измеренной частотой. И предварительные данные с другого детектора на коллайдере VEPP-2000, похоже, также совпадают. Между тем, анализ 2023 года данных ^[9], собранных ранее в ходе ещё одного эксперимента на коллайдере BABAR в Калифорнии, на удивление согласуется со старыми данными о частоте.

Всё это заставляет физиков задаваться вопросом: что же на самом деле происходит во всех этих экспериментах на коллайдерах? Эти расхождения указывают либо на признаки вмешательства неизвестных частиц ^[10]в поведение кварков, либо на упущенные детали, создающие ложное впечатление, что кварки ведут себя не так, как положено. В любом случае, специалисты по физике частиц не смогут успокоиться, пока не разгадают новую загадку с электронами и позитронами и не выяснят, какая из величин — старая или новая — является правильной.

«До этого были четыре десятилетия измерений, которые проводились разными способами, разными людьми, в рамках разных экспериментов, и все они рисуют совершенно разные картины», — сказал Кешаварзи. «Ещё столько всего предстоит сделать».