Столкнув 300 миллиардов мюонов за четыре года в Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми в США, группа Muon g-2 Collaboration — группа из более чем 200 исследователей — измерила магнитную силу мюона с беспрецедентной точностью: с погрешностью в 127 частей на миллиард.
Эти результаты по магнитному моменту мюона, измеренному по частоте колебаний момента во внешнем магнитном поле, являются итогом 30-летних экспериментальных исследований и были опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Мюон тяжелее электрона, его масса примерно в 207 раз больше, но он нестабилен и живёт в среднем 2,2 микросекунды. У него такой же спин — ½ как у электрона. Магнитный момент мюона должен быть таким же, как у электрона, впрочем, теоретики в своих “квантовых теориях поля” измыслили разные поправки. Исследователи проверяли именно это.
Теория Дирака, по его мнению объединяющая необъединимое никак, то есть квантовую механику Шрёдингера, постулирующю квантирование всего, со специальной теорией относительности, постулирующей недопустимость квантирования “пространственно-временного континууа”, требует чтобы спиновый магнитный момент мюона был равен одному “магнетону Бора”. Теоретики, адепты мнений Бора, классифицируют это явление с помощью некого безразмерного “g-фактора”, называемого ими “гиромагнитным отношением”. Уравнение Дирака предсказывает, что “гиромагнитное отношение”; равно 2. А уравнение Шрёдингера предсказывает 0, поскольку в его версии квантовой механики спина нет, потому, что вращение со скоростью света невозможно. Квантовая теория поля, которая измышленна не базе теории Дирака, но включает перенормировки, так называемые “радиационные поправки”, якобы вносимые теоретическими “виртуальными частицами” создающими “поле”, допускает более высокое значение “гиромагнитного отношения”.
Швингер, адепт теории Дирака, получивший докторскую степень в 21 год, в 1948 году измыслил значение аномального магнитного момента электрона в магнитном поле, определяемое «радиационными поправками» в его квантовой теории электродинамики: α/2π, где α — постоянная тонкой структуры, приблизительно равная 1/137. (Швингер так гордился этим, что выгравировал это уравнение на надгробии себе и своей жене.)
Фактор “гиромагнитного отношения” g-2 для электрона был рассчитан с точностью до поправочного коэффициента порядка α5 ≈ 2 x 10-11. Для вычисления его с перенормировками было нарисовано 12 672 диаграмм Фейнмана. Большинство этих диаграмм были рассчитаны численно. Руководителем этого проекта был американский физик японского происхождения Тоитиро Киношита. Теоретическое значение после всех перенормировок совпало с результатами эксперимента с точностью более чем до 10 значащих цифр.
Примерно то же самое что было проделано с электроном было проделано с мюоном. Поскольку мюон более массивный, пришлось применять другие перенормировки, обусловив их другими измышленными теоретиками взаимодействиями (электрослабым и сильным взаимодействием), кроме тех, с которыми сталкивается электрон”. Были привлечены “виртуальные адроны”, состоящие из “виртуальных частиц, включающих в себя два или более “виртуальных кварка” и сколько потребовалось “виртуальных глюонов. В некоторых частях расчётов для оценки подынтегральных выражений, таких как электрон-позитронные взаимодействия, использовались экспериментальные данные о столкновениях свсем других частиц. Применялись результаты “решёточной калибровочной теории”. В общем использовались самые разные измышления теоретиков и чуть=чуть данных экспериментов…
Инициатива по разработке теории мюонного g-2 была основана в 2016 году, чтобы представить наилучшее из возможных предсказаний, которое было опубликовано ранее в этом году и устранило расхождения между предыдущими значениями, полученными разными группами. С учётом присущей ему неопределённости это предсказание соответствует недавнему экспериментальному результату, опубликованному коллаборацией Muon g-2.
Лабораторный результат, полученный в результате в 2,5 раза большего количества столкновений по сравнению с предыдущим лучшим результатом, был получен путём измерения отношения частот прецессии протонов и мюонов, а также протонов в магнитном поле накопительного кольца Фермилаб, с использованием наиболее точных значений фундаментальных констант. Этот результат позволил улучшить глобальное среднее значение g-2 для мюонов в 4 раза.
«Однако погрешность теоретического прогноза по-прежнему в четыре раза превышает погрешность эксперимента», — сказала Аида К. Эль-Хадра в интервью Phys.org. Эль-Хадра — профессор физики в Университете Иллинойса в Урбане-Шампейне и руководитель теоретической инициативы Muon g-2.
«Это означает, что на вопрос „Согласуется ли Стандартная модель с экспериментальным значением аномального магнитного момента мюона?“ пока нет удовлетворительного ответа», — продолжила она.
По её словам, вся драма связана с предсказанием Стандартной модели в отношении вклада “адронной поляризации вакуума”, то есть вклада виртуальных частиц в вклад Стандартной модели в магнитный момент мюона. Она назвала их последний результат «значительным» улучшением по сравнению с результатом 2020 года, поскольку более ранние расчёты в рамках решёточной теории квантовой хромодинамики (КХД, теория сильного взаимодействия) были недостаточно точными. Работа в рамках её инициативы будет и дальше направлена на снижение окончательной неопределённости.