Что примерно в 200 раз больше массы электрона, существует около 2-миллионных долей секунды, постоянно сталкивается с каждым дюймом земной поверхности и, кажется, ведет себя таким образом, что протыкает дыру в давно принятых законах физики?
Это мюон, частица, впервые открытая в конце 1930-х годов, которая образуется в природе, когда космические лучи сталкиваются с частицами в атмосфере нашей планеты. Мюоны проходят сквозь вас и все вокруг вас со скоростью, близкой к скорости света. Тем не менее, многие из нас, вероятно, даже не подозревали об их существовании до апреля 2021 года, когда эта частица попала в заголовки новостей после того, как исследователи из Национальной ускорительной лаборатории Ферми при правительстве США, более известной как Фермилаб, опубликовали первоначальные результаты трехлетнего эксперимента. -длинный эксперимент Muon g-2.
Исследование Фермилаб подтвердило предыдущие выводы о том, что поведение мюона противоречит Стандартной модели физики элементарных частиц, теоретической основе, которая направлена на описание того, как реальность работает на мельчайшем уровне. Как объясняется в этой статье в журнале Science, мюоны, которые существуют в море других крошечных частиц и античастиц, влияющих на них, на самом деле обладают чуть более магнитными свойствами, чем предсказывает Стандартная модель. Это, в свою очередь, указывает на возможное существование других, пока неизвестных частиц или сил.
Как объяснил один из исследователей, физик Джейсон Боно, в пресс-релизе своей альма-матер Международного университета Флориды, команда знала, что, если они подтвердят несоответствие в магнетизме мюонов, «мы не будем точно знать, что вызывает это, но мы бы знали, что это что-то, чего мы еще не понимаем."
Первоначальные результаты, наряду с другими недавними исследованиями частиц, могут помочь в обосновании новой физики, которая заменит Стандартную модель. Вот видео из Fermilab на YouTube, объясняющее результаты и их значение:
«Мюоны похожи на электроны, только в 200 раз тяжелее», - объясняет Марк Б. Уайз в интервью по электронной почте. Он профессор физики высоких энергий в Калифорнийском технологическом институте и член престижной Национальной академии наук. (Если это вас не впечатлило, он также работал техническим консультантом по ускорителям частиц в голливудском фильме 2010 года «Железный человек 2»).
«Согласно формуле Эйнштейна E=mc2, это означает, что покоящиеся мюоны обладают большей энергией, чем электроны», - говорит Уайз. «Это позволяет им распадаться на более легкие частицы, сохраняя при этом энергию в целом».
Другое ключевое отличие заключается в том, что электроны считаются довольно близкими к бессмертным, но мюоны существуют только в течение 2,2 миллионных долей секунды, прежде чем они распадаются на электрон и два типа нейтрино, согласно этому Министерству энергетики США. праймер по частице.
Мюоны, которые постоянно создаются, когда космические лучи сталкиваются с частицами в атмосфере Земли, за время своего короткого существования преодолевают поразительные расстояния, двигаясь со скоростью, близкой к скорости света. По данным Министерства энергетики, они поражают каждый дюйм поверхности Земли и проходят почти через все на своем пути, потенциально проникая на милю или больше вглубь поверхности Земли.
Некоторые описывают мюоны как ключ к пониманию всех субатомных частиц, хотя Уайз не заходит так далеко. «В поисках физики за пределами нашего нынешнего понимания вы должны изучать все частицы», - говорит он. «Однако у мюона есть некоторые преимущества. Например, его аномальный магнитный момент предсказан очень точно, что делает его более чувствительным к новой физике, помимо нашей нынешней теории, которая могла бы изменить это предсказание. В то же время его можно очень точно измерить».
Изучение мюонов, однако, дело непростое. Фермилаб использует 700-тонное (635 метрических тонн) устройство, содержащее три кольца, каждое 50 футов (15 метров) в диаметре, которое несколько лет доставлялось на барже и грузовике в Иллинойс из Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке. назад. Устройство способно генерировать магнитное поле в 1,45 Тесла, что примерно в 30 000 раз превышает магнитное поле Земли.
«Удивительно, что для изучения чего-то такого крошечного и недолговечного им нужны эти огромные единицы оборудования», - объясняет Уайз. «Когда они образуются при высокой энергии, они движутся почти со скоростью света и могут преодолевать приличное расстояние, прежде чем распасться. Так что вы можете поискать доказательства, которые они оставляют в детекторе».
Например, поскольку мюоны являются заряженными частицами, они могут ионизировать материю, через которую проходят. По словам Уайза, электроны, образующиеся в результате этой ионизации, можно обнаружить.
Уайз говорит, что недавнее открытие команды Фермилаборатории о том, что частица немного более магнитная, чем ожидали физики, имеет важное значение. «Она не согласуется с теорией, предсказывающей магнитный момент мюона (настоящая теория обычно называется Стандартной моделью). Таким образом, в нашей нынешней теории есть некоторая новая физика, которая присутствует и меняет предсказание для этой величины», - говорит Уайз.
Как и многие важные открытия, открытие Фермилаборатории поднимает новые вопросы, и ученые еще многое хотят узнать о мюоне.
«Что такое новая физика - вот вопрос, который она поднимает», - говорит Уайз. «Есть также некоторые другие аномалии, которые не объясняются в [Стандартной модели], связанные с мюонами. Они все каким-то образом связаны?»
Уайз также с осторожностью относится к выводам Фермилаб. «Возможно, в эксперименте есть какой-то систематический эффект, который непонятен и влияет на интерпретацию измерения», - объясняет он. "То же самое и с теорией. Так что эта аномалия может в конце концов исчезнуть. Очень важно проверять такие вещи как можно тщательнее."
Интересно
Как отмечает физик Фермилаборатории Крис Полли в этом эссе 2020 года, каждая частица во Вселенной - даже в самых глубоких, казалось бы, пустых пространствах космоса - окружена «свитой» других частиц, которые постоянно «мигают». и больше не существует."