Колебания мюонов в эксперименте «g minus two» подтверждают существование квантовой пены

Автор оригинала: Phil Plait
  • Перевод

Оригинал: Wobbling muons hint strongly at the existence of bizarre new physics, Phil Plait, SYFY Wire.

Любой вопрос или замечания Вы можете написать в комментариях. Также я открыт для личного диалога в телеграме или беседы в нашем чате. А еще у меня есть телеграм-канал о космологии.

Мюоны не ведут себя так, как это предсказывается Стандартной моделью. Почему? Это может быть связано с тем, что на них оказывают действие неизвестные субатомные частицы, появляющиеся и исчезающие в квантовой пене — такой вывод сделан в ходе эксперимента g-2, проведенного в лаборатории ускорителей частиц высоких энергий «Fermilab» в Иллинойсе и исследующего поведение мюона, и он говорит нам о том, как мало мы знаем об устройстве Вселенной.

Мюон — субатомная частица, по своим свойствам очень напоминающая электрон: оба с отрицательным зарядом и одинаковым спином, только их масса различается в почти 207 раз. Используя Стандартную модель (СМ), физикам удается объяснить и предсказать поведение такой тяжелой частицы. Например, вращающаяся заряженная частица имеет связанное с ней магнитное свойство, называемое моментом, характеризующееся как мера силы магнитного поля и ориентации частицы. В сравнении с мюоном это будет так: при его нахождении в магнитном поле, частица подвергнется колебанию (прецессии). СМ чрезвычайно точно предсказывает эту прецессию, называемую g-фактором, который близок к значению 2.

В макромире мы привыкли думать, что пространство гладкое и непрерывное, но в квантовом масштабе (порядка 10-35 метров) пространство становится дискретным. Это значит, что на сверхмалых масштабах оно не может быть пустым, и вместо этого должно, подобно супу, "кипеть и бурлить" от энергообмена. В этом кипящем супе, в науке называемом квантовой пеной, постоянно возникают и аннигилируют частицы.

Credit: Diomedia
Credit: Diomedia

К чему речь пошла о пене? Дело в том, что ее воздействие как раз и сказывается на прецессии мюона. Без нее значение g-фактора было бы очень близко к двум, но воздействие виртуальных частиц на мюон вызывает аномальный магнитный момент, то есть отклонение от нормального значения. Более того, Стандартная модель предсказывает значение этого аномального момента, а, чтобы проверить предсказание, и проводится эксперимент «g minus two».

Для того, чтобы определить влияние квантовых флуктуаций на мюон, частицу вводят в очень стабильное магнитное поле и измеряют его колебания, сравнивая результат с теоретическим. Стандартная модель предсказывает значение аномального магнитного момента (АММ) равного 0,00116591810, а результат эксперимента демонстрирует значение 0,00116592061 — разница, кажется, небольшая (всего 0,0002153%), но предсказание должно полностью совпадать с результатом. Полученная различие значит многое: например, то, что существуют неизвестные нам силы, действующие на мюон в квантовом масштабе. Читатель может посчитать такое малое расхождение статистической ошибкой, но вероятность этого очень маловероятна — результаты эксперимента «g minus two» составляют 4,2 сигмы, т.е. шанс ошибки составляет 1 к 38 000 (0,002%).

Кольцевой магнит, на котором проводится эксперимент «g minus two» в Фермилабе. Credit: Fermilab / Reidar Hahn
Кольцевой магнит, на котором проводится эксперимент «g minus two» в Фермилабе. Credit: Fermilab / Reidar Hahn

Очевидно, что полученный результат не идеален, потому команда исследователей намерена проводить эксперимент уже в пятый раз для того, чтобы повысить значение сигмы до «золотого стандарта» — пяти. Если это произойдет, то мы окажемся перед еще одним непаханым полем — природой квантового мира. Стандартная модель довольно-таки успешна: например, она предсказала существование бозона Хиггса, обнаруженного в 2012 году, но ее проблема заключается в том, что есть вещи, которые она предсказать не может. Это было продемонстрировано командой экспериментаторов «g minus two» на примере поведения мюонов, исследование которых манит нас к будущим свершениям и великим открытиям новой, неизвестной нам физике.

Ну и напоминаю, о том, чтобы читатель не стеснялся задать вопрос или поправить меня в комментариях. Также у меня есть телеграм-канал, где я рассказываю о последних новостях космологии и астрофизики, а также пишу об астрофотографии. Пишите мне в личку или наш чат. Всем добра!

Комментарии 18

    +2
    Если пространство дискретно, то должна нарушаться инвариантность инерциальных систем отсчёта. Но она не нарушается. Или я что-то не так понимаю?
      –1
      А если оно не дискретно, то любое движение, согласно апории Зенона о летящей стреле, — невозможно =).
        +3
        С чего это, простите?
        +3

        Нет у пространства никакой дискретности. Автор присочинил. Есть принцип квантовой механики "что не запрещено то обязательно". Из за него пространство и кипит виртуальными частицами.

          0
          А разве планковская длина не задает масштаб этой дискретности?
            +8

            Вот здесь неплохо расписано

              +1
              Вот здесь написано, что экспериментально установлено до 10^-48 м. зернистость пространства не обнаружена.
              +2

              У автора, кстати, менее категорично написано:

              But on a quantum scale, an incredibly tiny scale (like 10-35 meters!) quantum mechanics implies that space is not continuous and smooth, and instead may come in discrete units, like tick marks on a graph. This means, on that scale, space may not be empty, but instead boils and froths with energy.

              То есть, он предполагает, что пространство дискретно, и что оно может не быть (а не должно, как в переводе) пустым.

                0
                Тогда в абсолютном ничто, где нет законов физике, произойдет сразу все?
                  +1
                  Это неформальный принцип, который иногда упоминается. Суть в том, что происходящее в микромире ограничивается законами сохранения, но в остальном никаких ограничений нет — все что не противоречит законам сохранения имеет определенную вероятность.
                  Например, частицы очень высокой энергии сталкиваясь могут породить любое количество любых частиц. Лишь бы их энергия и импульс были равны энергии и импульсу исходных и суммарный заряд и прочие квантовые числа были равны числам в исходных частицах.
                  Тогда в абсолютном ничто, где нет законов физике, произойдет сразу все?
                  Примерно так и есть. Только мы об этом не узнаем, потому что мы здесь, где уже что-то конкретное произошло и картина вселенной уже определена некими
                  законами.
                  Но у вселенной всегда есть части, которые временно изолированы от нее. Эти части обязаны только вернуть ту информацию, которая вложена при их создании, т.е. вероятности изменений этих частей обязаны эволюционировать обратимо (точнее — унитарно) согласно уравнению Шредингера.
                  А еще у вселенной есть элементы, которые изолированы всегда из за принципа неопределенности. Что обязаны они, не сформулирую. Но здесь возникают виртуальные частицы из за которых существуют взаимодействия и экранирование взаимодействий, как в статье.
                +1
                1 Писал уже как то. Сепаребельность гауссиана и CLT очень быстро восстанавливают инвариантность к повороту на мелкой решетке.
                2 Возможно решетка тоже виртуальная и привязана к системе отсчета наблюдателя, то есть видимый эффект зависит от его системы отсчета.Никого же не удивляет, что одну и ту же звезду один наблюдатель видит красной, а другой синей. Для одного наблюдателя частицы есть, а для другого нет.
                  +2
                  Подобные вещи на первый взгляд не так сложно теоретически исследовать.
                  Лет 15 назад мне казалось, что вот-вот кто-то этим всерьез займется и выкатит некую модель, похожую на автоматы, в которой естественным образом будет вписываться и квантовая механика и СТО с ОТО. Но время идет, а даже попыток серьезных не видно.
                    +1

                    Ну вот Вольфрам всё пытается такую теорию построить. С переменным успехом, правда.

                      +2
                      Читал, но ИМХО, это пустой популизм. В области интерпретации физики в автоматах любой может в три раза дальше зайти чем он.
                      Серьезнее заявка у Хоофта, но и он больше прощупывал почву, чем конкретно строил теорию.
                      Может еще что появилось в последнее время, не знаю.
                +3
                Стандартная модель предсказывает значение аномального магнитного момента (АММ) равного 1,16591 × 10−8, а результат эксперимента демонстрирует значение 1,16592 × 10−8 — разница, кажется, небольшая (всего 0,0002%), но предсказание должно полностью совпадать с результатом.

                Странное дело, в исходной статье (и Википедия это подтверждает) приведены значения: 0.00116591810 (±0.00000000043) и 0.00116592061 (±0.00000000041), для предсказания и для результатов эксперимента соответственно. Откуда в переводе взялся порядок 10−8 — загадка. Порядок 10−3 было бы логично, если бы не простая прикидка (порядки чисел опущены, поскольку одинаковы) (1,16592 − 1,16591) / 1,16591 × 100% = 0,00001 / 1,16591 × 100% ≈ 0.0008577%, а никак не 0.0002%.
                А если взять значения из оригинала: (1,16592061 − 1,16591810) / 1,16591810 × 100% ≈ 0.0002153%.
                  0
                  Исправил, благодарю.
                  +1

                  Вольфрам бы сказал что расхождение это вклад олигонов

                    +1
                    А нет ли тут сходства с Лэмбовским сдвигом вверх электронов? У водорода (и подобных атомов) расчётные по Дираку орбиты ниже, чем в реальности. Кверху их «приподнимает» энергетически плотный вакуум — та же квантовая пена, что повышает магнитный момент мюона.

                    Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                    Самое читаемое