Два пути экспериментальной физики частиц

В современной экспериментальной физике элементарных частиц существуют два принципиальных пути исследования, два метода, с помощью которых ученые всматриваются во все более глубокую структуру нашего мира. Первый путь - это увеличение энергий сталкивающихся частиц. По сути, это прямой, самый непосредственный способ узнать, как же ведут себя частицы при сверхвысоких энергиях, а значит, как они устроены на сверхмалых расстояниях. Если уподобить современные физические исследования военной кампании, то это ничто иное, как прямая разведка боем: строя новый ускоритель, способный достичь рекордных энергий, ученые тем самым на полном скаку врываются в неизведанную ранее область.

Второй путь заключается в том, чтобы, проводя очень точные, прецизионные исследования при небольших энергиях, косвенно узнать о том, что творится в природе на очень малых масштабах. Этот метод ведения боя можно сравнить с радиоперехватом информации: здесь главную роль играет не мощь и сила, а аккуратное, кропотливое изучение всего, что поддается изучению.

Эти два способа с одной стороны взаимно дополняют друг друга, а с другой стороны конкурируют. Ведь каждый из них стремится узнать что- то новое о природе. И один из самых главных предметов конкуренции, одна из самых важных задач, которые стоит сейчас перед экспериментаторами это увидеть эффекты, не вписывающиеся в рамки Стандартной Модели.

Стандартная Модель и почему она не нравится физикам

С точки зрения здравого смысла ситуация здесь может показаться несколько парадоксальной (ученые отчаянно ищут явления, не укладывающиеся в рамки уже построенных теорий), но тем не менее она очень характерна для фундаментальной физики. В настоящее время есть более-менее удовлетворительное понимание того, как элементарные частицы ведут себя при обычных энергиях. Все наблюдаемые частицы поддаются классификации, открыты все необходимые строительные кирпичики модели так называемые фундаментальные частицы, из общего принципа калибровочной инвариантности выведены свойства всех взаимодействий в природе. Вся эта структура и называется Стандартной Моделью.

Однако Стандартная Модель, хотя и самосогласованная, все же не дает ответов на многие вопросы. Многое в ней не объясняется, а постулируется. А между тем, физикам ясно, что некоторые свойства Стандартной Модели, то есть свойства окружающего нас мира, должны следовать из каких-то более глубоких первооснов. Уж слишком подозрительны симметрии и совпадения, которые наблюдаются в Стандартной Модели!

Теоретики легки на подъем: за последние 20 лет они придумали бесчисленное множество самых разнообразных вариантов устройства природы при сверхбольших энергиях. И все эти варианты аккуратно переходят в добрую старую Стандартную Модель при малых энергиях. Но только какой из этих вариантов реально имеет место в природе? Это вопрос уже не к теории, а к эксперименту. Вот экспериментаторы и ищут эти ответ, ищут хоть что-то за пределами Стандартной Модели, что-то, что подсказало бы, какие из теорий лежат в основе основ, а какие лишь изящная игра математики.

Результаты по измерению g-2 мюона и что из них следует

8 февраля 2001 года на очередном собрании Брукхэвенской Национальной Лаборатории было объявлено, что, по всей видимости, первые проявления эффектов, выходящих за рамки Стандартной Модели, наконец-то обнаружены [1]. Речь идет об эксперименте по изучению аномального магнитного момента мюона, элементарной частицы, похожей на электрон и давно уже знакомой физикам.

Что такое магнитный момент частицы? Это ее характеристика, описывающее взаимодействие частицы с магнитным полем. В квантовой теории показывается, что магнитный момент элементарной частицы должен быть пропорционален ее спину, собственному моменту вращения. Коэффициент пропорциональности называют гиромагнитным отношением и представляют в виде произведения двух величин: магнетона (кванта магнитного момента) и безразмерного g-фактора.

В случае мюона этот g-фактор равен 2. Однако этот результат был получен, что называется, в первом приближении, без учета разнообразных виртуальных частиц, А виртуальные частицы, как мы знаем, присутствуют всегда и везде, а значит, будут влиять и на g-фактор мюона. Именно это отклонение g-фактора от 2 называется аномальным магнитным моментом мюона и исследуется в эксперименте в Брукхэвене. Поскольку в этом эксперименте главное не сверхэнергия, а сверхточность, его смело можно отнести к экспериментальным идеям, использующим тактику радиоперехвата.

На самом деле, одного только наблюдения того, что g-фактор отличается от 2, мало. Надо знать, на сколько именно отличается, то есть, чему равно , и уж затем сравнивать результаты с прогнозом теоретиков. Предсказания же теории вполне четкие: все известные частицы вносят свой вклад в величину , и если предположить, что других частиц за пределами Стандартной Модели нет, то ответ выглядит так: = 0,0023318319 с точностью 0,6 ppm (т.е. миллионных долей). Долгое время экспериментаторы не могли приблизиться к этой точности, а потому не могли сказать наверняка, чувствуют ли они отличие от теоретических предсказаний или нет.

И вот было объявлено, что, тщательно анализируя экспериментальные данные, наработанные за 1999 год, коллаборация смогла понизить относительную погрешность измерений в три раза по сравнению с предыдущими экспериментами. Значение аномального момента оказалось таким: = 0,0023318404 с точностью 1,3 ppm.

Легко увидеть, что отличие экспериментальных результатов от предсказаний Стандартной Модели очень мало, 85*10^-10. Однако это отклонение существенно превосходит погрешность измерений, которая составляла 32*10^-10. Выражаясь на привычном физику языке, отклонение составляет 2,6 сигмы (то есть стандартных отклонений).

Окончательные выводы делать рано. Все-таки 2,6 сигмы не настолько сильное отклонение, чтобы можно было говорить о свершившемся открытии. Но если оно подтвердится в дальнейшем (а у группы есть планы как можно скорее обработать данные за 2000 год и понизить погрешность еще в два раза), то этот эксперимент будет первым доказательством того, что Стандартная Модель в самом деле не последнее слово в физике элементарных частиц. На основании одних только данных по трудно, конечно, угадать, какая из теоретических конструкций, описывающих реальность вне Стандартной Модели, правильна, но этот эксперимент тоже послужит хорошей проверкой для теоретиков.

Ссылки:

[1] H.N.Brown et al, (Muon g-2 Collaboration), "Precise measurement of the positive muon anomalous magnetic moment" e-print archive: hep-ex/0102017, статья направлена в журнал Phys.Rev.Lett.
[2] http://phyppro1.phy.bnl.gov/g2muon/ сайт коллаборации Muon g-2.

Иванов И.П.