Любопытно: появились новые результаты измерения магнитного момента мюона g-2. Они подтвердили старые результаты, а вместе с ними и аномалию, которая мучает физиков вот уже сколько лет…или нет? Мне кажется, эта история хорошо показывает, как работает наука.
Мюоны — тяжелые элементарные частицы, которые в целом возникают во многих экспериментах и просто прилетают из космоса (и их можно наблюдать самим, например, в камере Вильсона). Частицы эти обладают магнитным полем, силу которого характеризуют параметром g. Это поле можно посчитать: с помощью классической физики и с помощью квантовой. Между этими расчетами есть небольшая разница (доли процента), которую тем не менее можно измерить с огромной точностью (ее называют g-2). И ее измерили, и в хвост, и в гриву! Эксперимент довольно простой: берут частицу, разгоняют ее в ускорителе с постоянным ЭМ полем и смотрят, что происходит с частицей. А она — как стрелка в компасе — будет всегда показывать на “север”, т.е. магнитный момент вращается вместе с частицей, совершая один оборот за один оборот внутри кольца. Ну, должен. Но он на деле вращается чуть быстрее: около 30 оборотов за 29 кругов. Вот это и измеряли ученые. Много десятилетий подряд измеряли. Только вот сколько ни измеряли, все получалось, что результаты не совпадают с теорией. Этот эффект был назван “аномалией магнитного момента мюона” и считался одним из главных симптомов поломки стандартной модели. С годами аномалия росла. Точность измерения магнитного момента достигла 0.00000013 (надеюсь, не обсчитался с числом нулей). При этом расхождение с расчетами стандартной модели давно превзошли 5σ — стандарт для “открытия” в физике частиц. Ну, в этом случае это было бы закрытием. Стандартной модели, то бишь.
Но оказалось, что рано радоваться! Кажется, расчеты, которым мы доверяли уже вот лет 50 как — неверны. Возможно (ну или все же стандартной модели каюк). Как делаются обычные расчеты в физике частиц? Посмотрим на электромагнитное взамиодействие. Например, две заряженных сталкиваются друг с другом. Их взаимодействие описывается как обмен виртуальными фотонами. Такое описание будет совпадать с классическим описанием. Но в квантовой теории возможен другой вариант: виртуальный фотон сам распадается на две вирутальные частицы, которые тут же аннигилируют обратно в фотон — это называется “петлями” в формализме диаграмм Фенманна. Это взаимодействие дает небольшую поправку к поведению частиц. В простых случаях эти поправки очень малы и почти ни на что не влияют (тут можно почитать про поляризацию вакуума). Когда ученые считают взаимодействия частиц, они должны учитывать эти поправки. Обычно это делается по порядкам малости: петля первого порядка, второго порядка (это когда виртуальные частицы сами распадаются на виртуальные частицы в процессе) и т.д. Сейчас ученые вполне могут считать процессы вплоть до 5 порядка, что дает огромную точность на расчетные параметры систем. Именно такие вычисления и были проделаны для мюонов. И они не совпадали с экспериментом. Аномалия! Тут важно отметить, что расчеты для мюонов очень сложны, они не делаются из первых принципов, а используют данные других экспериментов. Они пытаются сопоставить данные разных экспериментов, чтобы получить согласованные результаты. До сих пор это приносило хорошие результаты — но приводило к таким вот аномалиям.
👇👇
Но пару лет назад ученые задумались: а можно ли рассматривать процессы, связанные с сильным ядерным взаимодействием, в терминах разложения по порядкам малости? Ну точнее, задумались они давно, но до сих пор у нас не было достаточных компьютерных мощностей, чтобы считать эти процессы точно. И в 2020 году один из альтернативных подходов к вычислению — квантовая хромодинамика на решетке — позволила расчитать магнитный момент без приближений. И — сюрприз! — результат совпал с экспериментами. Пять лет спустя, эксперимент уточнил измерения еще больше, и новый метод вычислений продолжает совпадать с расчетами. Сами авторы эксперимента признали, что такой подход осмысленнен и разрешает аномалию без ущерба для Стандартной модели. Ура? Скорее всего, да. Проблема остается в том, что не очень понятно, где именно сломался классический подход. И что это значит для других расчетов. А еще, новый подход сильно основывается на численных подходах, и в нем сложнее найти ошибки. Так что тема еще не закрыта.
Для меня это характерная история про пиар в науке: много лет мы слышали про поломку Стандартной модели — целая драма в новостях. При этом ученые просто продолжали разбираться и искать решения. Оно нашлось — теперь в новостях восторги про “решение” аномалии, маятник качнулся в обратную сторону. Но по сути происходил обычный научный поиск, который пока еще и не окончился. Было бы лучше доносить это более спокойным и взешенным образом? Мне кажется — да. Но я понимаю, что подобные статьи были бы скучны и не приносили бы новой аудитории. Это более общая проблема: каждый результат приходится представлять в наиболее выгодном свете, зачастую даже несколько искажая реальность (напр. разговоры про “прорывной результат” там, где все ученые понимают, что он в реальности вряд ли будет где-то использоваться, и т.п.).