Мюон g−2

Фермилабтағы g-2 сақтамалы-сақиналы магниті (storage-ring magnet), ол бастапқыда Брукхавенде g-2 экспериментіне арналған. Геометриясы сақинада өте біркелкі магнит өрісін қалыптастыруға мүмкіндік береді.

Мюон g−2 (ағылш. Muon g-2) — бұл Фермилабтағы мюонның аномальды магниттік дипольдік моментін 0,14 ppm дәлдікке дейін өлшеуге арналған бөлшек физикасы экспериментінің атауы^[1], кезекте (12.04.2021) жасалу үстіндегі бұл эксперимент дәстүрлі стандартты модель үшін өте сезімтал сынақ болады. Сондай-ақ, ол мүлдем жаңа бөлшектердің бар екендігіне дәлел табуы да мүмкін.^[2]

Мюон - жеңіл электронға ұқсайтын, айналмалы магниттік қозғалысқа ұқсайтын әрекет. «G-фактор» деп аталатын параметр магниттің қаншалықты күшті екендігін және оның айналу жылдамдығын көрсетеді. G мәні 2 -ден сәл үлкен, сондықтан эксперименттің атауы осыдан шыққан. Бұл 2 -ден айырмашылық («қалыпсыздық») кванттық өріс теориясының жоғары ретті жүйесінен туындайды. G−2 -ні жоғары дәлдікпен өлшегенде және оның мәнін теориялық болжаммен салыстырған кезде физиктер эксперименттің теориямен сәйкесетінін анықтайды. Кез-келген ауытқу табиғатта кездесетін әлі ашылмаған субатомдық бөлшектерді көрсетеді.^[3]

Деректерді қабылдаудың үш кезеңі аяқталды (Run-1, Run-2 және Run-3), Run-4 қазіргі уақытта жалғасуда. Run-1 деректерін талдау нәтижелері 2021 жылы 7 сәуірде пайымдалды және жарияланды.^[4]^[5] Физиктердің айтуынша, бөлшектерге жүргізілген соңғы зерттеулер нәтижесі Стандартты модельге соғыс ашқандай болды, сондықтан кезектегі түсініктегі физиканы жаңарту қажет деп есептелді.^[6]^[7]

Мюон эксперименттері

CERN-дегі Мюон g−2 сақтамалы-сақиналы эксперименті.

G-2 сақинасы өзінің соңғы межелі орнына - Фермилабтағы эксперименттік залға (MC1) жеткізілді - 30 шілде, 2014 ж

Алғашқы Мюон g−2 тәжірибелері Леон Ледерманның бастамасымен 1959 жылы CERN-де басталды. Алты физиктен құралған топ CERN-де синхроциклотронды қолданып, алғашқы тәжірибені жасады. Бірінші нәтижелер теориялық мәнге қатысты 2% дәлдікпен, содан кейін екінші нәтижелер 0,4% дәлдікпен 1961 жылы жарық көрді, демек, кванттық электродинамика теориясын растады.

Екінші эксперимент 1966 жылы жаңа топпен басталды, бұл жолы Протон-Синхротронмен, әлі де CERN-де жұмыс істеді. Нәтижелер бұрынғыдан 25 есе дәлірек болды және эксперименттік мәндер мен теориялық мәндер арасындағы сандық сәйкессіздікті көрсетті, осылайша физиктерден өздерінің теориялық моделін қайта есептеуді талап етті. 1969 жылы басталған үшінші эксперимент теорияны 0,0007% дәлдікпен растай отырып, 1979 жылы соңғы нәтижелерін жариялады. Құрама Штаттар 1984 жылы g−2 экспериментін қабылдады.

Мюон g−2 зерттеуінің келесі кезеңі Брукхафен ұлттық зертханасында ауыспалы градиент синхротронында өткізілді. Эксперимент CERN эксперименттеріне ұқсас түрде 20 есе дәлдікпен жасалды.

Фермилабтағы Мюон g−2

Фермилаб мюоның аномальды магниттік диполь моментін өлшеу үшін Брукхавен ұлттық зертханасында жүргізілген тәжірибені жалғастыруда. Брукхавендегі эксперимент 2001 жылы аяқталды, бірақ он жылдан кейін Фермилаб жабдықты сатып алды және сәйкессіздікті жоятын немесе оны стандартты модельден тыс физиканың эксперименттік бақыланатын мысалы ретінде растап дәлірек өлшеу (кіші σ) үшін жұмыс істейді.

Бөлшектер физикасы бұзыла ма?

Кванттық өріс теориясы: Фейнман диаграммасы Глюон радиациясы

2021-жылы 7- сәуірде жарияланған Fermilab-тың Мюон g-2 експериментінің алғашқы нәтижесі жаңа физиканың дәлелін күшейте түсті.

Ферми ұлттық үдеткіш зертханасы - Иллинойс штатындағы Чикаго маңындағы америкалық Fermilab

АҚШ Энергетика министрлігінің Ферми ұлттық үдеткіш зертханасындағы Muon g-2 экспериментінің бөлшектер физикасының стандартты моделі болжай алмайтын фундаметалды бөлшек Мюондардың көптен күткен алғашқы нәтижесін көрсетті. Бұрын-соңды болмаған дәлдікпен жасалған бұл маңызды нәтиже стандарт моделге сәйкессіздікті растайды.

Жер бетінің әр шаршы метріне минутына шамамен 10 000 мюон жетеді; бұл зарядталған бөлшектер атмосфераның жоғарғы қабаттарындағы молекулалармен соқтығысатын космостық сәулелердің қосымша өнімі ретінде пайда болады. Релятивистік жылдамдықпен жүретін мюондар басқа атомдардың сіңуі немесе ауытқуы нәтижесінде әлсіремей тұрып, ондаған метрге тау жыныстарына және басқа заттарға ене алады.

Электрондар сияқты миюндарда да теріс электр зарядқа ие және спин деп аталатын кванттық қасиет бар, магнит өрісіне орналастырылған кезде бөлшектерге ұсақ, тербелмелі шыңдар сияқты әсер етеді. Магнит өрісі неғұрлым күшті болса, миюон соғұрлым тез тербеледі.

Мюон электроннан шамамен 200 есе ауыр, Мюондар ғарыш сәулелері Жердің атмосферасына енген кезде табиғи түрде пайда болады, ал Фермилабтағы бөлшектер үдеткіштері оларды көп мөлшерде шығара алады. Электрондар сияқты, миюдар да ішкі магниті арқылы әрекет етеді. Күшті магнит өрісінде миюн магнитінің бағыты айналады, Ішкі магниттің күші мюоның сыртқы магнит өрісіндегі жылдамдығын анықтайды және оны физиктер g-фактор деп атайтын санмен сипаттайды. Бұл санды өте жоғары дәлдікпен есептеуге болады.

Фермилабтағы Мюон g-2 экспериментінің алғашқы нәтижесі осыдан жиырма жыл бұрын Брукхавен ұлттық зертханасында жүргізілген эксперименттің нәтижесін растап отыр. Екі нәтиже бірігіп, мюондардың Стандартты модель болжамынан алшақтайтындығының айқын дәлелдерін көрсетті .

1970 жылдары жасалған Стандартты модель - ғаламдағы барлық бөлшектердің қалай жүретіндігі туралы ең жақсы математикалық түсіндірме және мюоның тербеліс жиілігін өте дәлдікпен болжай алады.

Бірақ 2001 жылы Нью-Йорктегі Аптон қаласындағы Брукхавен ұлттық зертханасы мюондардың Стандартты модель болжағандарынан сәл тезірек тербелетін көрінеді.

20 жылдан кейін Фермилабтың Мюон g-2 эксперименті Брукхафен экспериментінің өзіндік нұсқасын жасады - және сол ауытқуды көрді. Зерттеушілер екі эксперименттің деректерін біріктіргенде, бұл сәйкессіздіктің ауытқуы шамамен 40000-ден 1-ге тең екенін анықтады, бұл қосымша бөлшектер мен күштердің миюнға әсер етуі мүмкін екендігінің белгісі.

Бөлшектер физикасының қатаң стандарттарына сәйкес, нәтижелер әзірге «жаңалық» емес. 1-ден 3,5 миллионға дейінгі мүмкіндікке жетпейінше, бұл шекті деңгейге жете алмаймыз.

Қазірдің өзінде, Фермилабтың нәтижелері физикалық бөлшектердің немесе қасиеттердің Стандартты модельден тыс бар екендігі туралы соңғы онжылдықтағы ең үлкен анықтаманы құрайды. Егер Стандартты модельмен осы келіспеушілік сақтала берсе, онда бұл жұмыс "Нобель сыйлығына лайықты", - дейді Брюссель Еркін Университетінің зерттеушісіне қатыспаған физигі Фрейа Блекман.

Стандартты модель - бұл ең табысты ғылыми теория, бұл ғаламның іргелі бөлшектерінің қалай жүретіндігі туралы керемет дәл болжам жасауға қабілетті. Бірақ ғалымдар модель толық емес екенін бұрыннан білген, оның үстіне тартылыс күшті қамтымайды және күңгірт зат туралы ештеңе түсіндіре алмайды.

Дереккөздер

↑ http://muon-g-2.fnal.gov, Muon g−2 Experiment, Fermilab, en, 2017-04-26
↑ Gibney Elizabeth, Apr 13, 2017, Muons' big moment could fuel new physics. Nature. en. 544, 145–146
↑ http://muon-g-2.fnal.gov/1-muon-g-2-collaboration-to-solve-mystery.html Мұрағатталған 1 шілденің 2017 жылы. Muon g-2 Collaboration to solve mystery. Muon g-2 Experiment, Fermilab, en. 2017-04-30
↑ https://theory.fnal.gov/events/event/first-results-from-the-muon-g-2-experiment-at-fermilab. Fermilab: First results from the Muon g-2 experiment at Fermilab. 2021-03-07
↑ https://phys.org/news/2019-03-muon-g-.html Muon g-2 begins second run. phys.org. 2019-03-26
↑ Overbye Dennis: Finding From Particle Research Could Break Known Laws of Physics - It’s not the next Higgs boson — yet. But the best explanation, physicists say, involves forms of matter and energy not currently known to science. https://www.nytimes.com/2021/04/07/science/particle-physics-muon-fermilab-brookhaven.html April 7, 2021. The New York Times April 7, 2021
↑ Marc Tracy: First results from Fermilab’s Muon g-2 experiment strengthen evidence of new physics https://news.fnal.gov/2021/04/first-results-from-fermilabs-muon-g-2-experiment-strengthen-evidence-of-new-physics/ April 7, 2021. Fermilab April 7, 2021

[1] ttp://muon-g-2.fnal.gov, Muon g−2 Experiment, Fermilab, en, 2017-04-26

[2] Gibney Elizabeth, Apr 13, 2017, Muons' big moment could fuel new physics. Nature. en. 544, 145–146

[3] ttp://muon-g-2.fnal.gov/1-muon-g-2-collaboration-to-solve-mystery.html Мұрағатталған 1 шілденің 2017 жылы. Muon g-2 Collaboration to solve mystery. Muon g-2 Experiment, Fermilab, en. 2017-04-30

[4] ttps://theory.fnal.gov/events/event/first-results-from-the-muon-g-2-experiment-at-fermilab. Fermilab: First results from the Muon g-2 experiment at Fermilab. 2021-03-07

[5] ttps://phys.org/news/2019-03-muon-g-.html Muon g-2 begins second run. phys.org. 2019-03-26

[NYT-20210407-6] Overbye Dennis: Finding From Particle Research Could Break Known Laws of Physics - It’s not the next Higgs boson — yet. But the best explanation, physicists say, involves forms of matter and energy not currently known to science. https://www.nytimes.com/2021/04/07/science/particle-physics-muon-fermilab-brookhaven.html April 7, 2021. The New York Times April 7, 2021

[FL-20210407-7] Marc Tracy: First results from Fermilab’s Muon g-2 experiment strengthen evidence of new physics https://news.fnal.gov/2021/04/first-results-from-fermilabs-muon-g-2-experiment-strengthen-evidence-of-new-physics/ April 7, 2021. Fermilab April 7, 2021

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]