Брукхэйвенская магнитная аномалия

Последние эксперименты на мощнейшем ускорителе протонов

Тигран ОГАНЕСЯН

Аномальный мюон

В эксперименте Е821 в BNL проводились измерения отклонения – аномального магнитного момента одной из элементарных частиц, мюона. Мюон – близкий родственник электрона. Оба относятся к классу легких частиц – лептонов, которые не участвуют в сильном взаимодействии, а только в гравитационном, электромагнитном и слабом, обладают одинаковыми зарядами и спином. Более того, мюон может даже заменить один из электронов в атоме, превратив последний в мю-атом.

Принципиальное отличие мюона от электрона прежде всего заключается в его массе (мюон в 207 раз тяжелее электрона), а также во времени жизни (мюон живет, не распадаясь, порядка 10^–6 секунды, тогда как электрон, в идеале, бессмертен). По теории Дирака, остальные свойства мюона не должны отличаться от свойств электрона, и соответственно, у мюона не может быть аномального магнитного момента. «Магнитная аномалия» указывает на наличие сильного взаимодействия. Например, аномальный магнитный момент протона и нейтрона как раз свидетельствует о том, что они участвуют не только в электромагнитном, но и в сильном взаимодействии. Однако дальнейшие теоретические и экспериментальные изыскания физиков привели к выводу о том, что и электрон, и мюон ведут себя в магнитном поле «не должным образом» – их магнитный момент непостоянен.

Более поздняя физическая теория (предложенная Ричардом Фейнманом), призванная залатать дыры в теории Дирака, показала, что магнитный момент мюона, равно как и электрона, несколько отличен от дираковской величины. Согласно Фейнману и его последователям, виновниками аномального отклонения являются виртуальные частицы (или квазичастицы), в огромном количестве присутствующие в физическом вакууме. Существование этих квазичастиц прямо зафиксировать невозможно. Однако следствия взаимодействия виртуальных частиц с реальными с хорошей точностью фиксируются экспериментально.

Стандартная модель умеет подсчитывать эффект, производимый этими виртуальными частицами и приводящий к пресловутой аномалии магнитного момента мюона. Величина этой аномалии составляет примерно ¹/₈₅₀ (данное отклонение постоянно корректируется теорией и по «текущим» предсказаниям КЭД составляет 0,0011658470).

Две и шесть десятых

Экспериментальные измерения аномального магнитного момента мюона, подвергшие практической проверке правильность предсказаний Стандартной модели, были впервые проведены еще в 70-е годы в Европейском центре ядерных исследований (CERN, Женева). Тогдашние результаты обнадеживали: теоретические и экспериментальные величины практически совпали друг с другом. Но с точки зрения статистики женевский эксперимент был недостаточным для окончательного подтверждения Стандартной модели (слишком велика была возможная погрешность).

Поэтому возникла потребность в новой экспериментальной проверке на значительно большем массиве данных. Такая проверка и была осуществлена в Брукхэйвене. В эксперименте Е821 приняли участие ученые из США, Германии, Японии и России (восемь специалистов из новосибирского Института ядерной физики им. Будкера и еще двое наших соотечественников, работающих сейчас в США). Эксперимент был начат в 1997 году: на специальном ускорителе элементарных частиц (изохронном синхротроне, самом мощном на сегодня в мире ускорителе протонов). Протоны «выстреливались» в никелевую мишень, и получавшиеся в результате пучки мюонов загонялись в так называемое мюонное кольцо, находящееся в сильном постоянном магнитном поле. Эксперимент проводился в несколько серий, растянутых на несколько лет. А как известно, в экспериментальной физике анализ полученных результатов занимает в несколько раз больше времени, чем собственно измерения.

Восьмого февраля этого года были наконец обнародованы данные обработки сеанса статистики 1999 года (ранее публиковались данные по сеансам 1997-го и 1998 годов). По совокупности статистических расчетов 1997...2000 годов аномальный момент мюона должен быть подсчитан с чудовищной точностью 0,000035%. Полученный результат «магнитной аномалии» сеанса 1999 года (его точность составляет 0,00013%) – 0,0011659202. А это означает, что экспериментальные данные на две целых и шесть десятых стандартной статистической ошибки отличаются от предсказаний Стандартной модели! По словам одного из руководителей эксперимента Джерри Банса (BNL), «на данный момент мы на девяносто девять процентов уверены в том, что предсказания Стандартной модели не в состоянии объяснить наши результаты».

Что из этого следует? То, что Стандартная модель недостаточна для объяснения процессов, происходящих в субатомном мире, и требует существенной доработки или даже пересмотра. «Наши исследования, возможно, станут началом новой эпохи физических экспериментов, нацеленных на проверку новых теорий, прежде всего суперсимметрии», – утверждает другой участник Е821, бостонский теоретик Ли Робертс. Ученые, непосредственно не вовлеченные в брукхэйвенский эксперимент, высказываются еще более определенно. В нескольких опубликованных сразу же после оглашения результатов измерений статьях звучит общий лейтмотив: именно не обнаруженные до сих пор «суперпартнеры» обычных частиц, существование которых прогнозируется теорией суперсимметрии, скорее всего несут ответственность за столь большое по физическим меркам расхождение экспериментальных и теоретических данных.

Суть теории суперсимметрии (впервые введенной в научный оборот в 1971 году российскими учеными Ю.А. Гольфандом и Е.П. Лихтманом) связана с понятием спина. В зависимости от значения спина частицы делятся на фермионы (ферми-частицы) с полуцелыми спинами (¹/₂, ³/₂), и бозоны (бозе-частицы) с целочисленными спинами (0, 1 и 2). Фермионы – это те частицы, из которых, как правило, строится вещество, тогда как бозоны обычно играют роль переносчиков взаимодействий – квантов поля.

Теория суперсимметрии базируется на предположении, что в природе должен существовать такой вид симметрии, который позволил бы единообразно описывать поведение как элементарных частиц, так и квантов поля.

Суперпартнеры и единое поле

Вообще, одна из главных исследовательских программ современной теоретической физики – построение единой теории поля, или Великого объединения, которая опишет четыре главных вида взаимодействий – электромагнитное, сильное, слабое и гравитационное – и все виды элементарных частиц на основе небольшого числа универсальных принципов. На поиски «единого поля» направлены в последние десятилетия основные усилия физиков, которые постепенно объединяют между собой различные типы взаимодействия. Именно на такое объединение нацелена теория суперсимметрии.

Развитие физики высоких энергий показало, что с ростом энергии взаимодействующих частиц симметрия фундаментальных взаимодействий повышается, и в итоге это приводит к объединению взаимодействий, однако энергии, необходимые для такого объединения, чрезвычайно велики (выше 1000 ГэВ). Отсюда родилась гипотеза о том, что в первые мгновения после Большого взрыва (предположительной причины возникновения Вселенной) законы природы обладали очень высокой степенью динамической симметрии: возможно, три (а может быть, и все четыре) вида фундаментальных взаимодействий были объединены в одно.

Впрочем, то, что еще совсем недавно казалось в лучшем случае далекой перспективой физики (получение энергий выше 1 ТэВ, то есть 1000 ГэВ), сегодня уже стало реальностью – в американской Лаборатории Ферми (расположенной рядом с Чикаго) действует протон-протонный коллайдер (ускоритель встречных пучков протонов) мощностью 2 ТэВ, а в 2006 году планируется ввод в действие нового рекордсмена – большого адронного коллайдера (Large Hadron Collider, LHC) в CERN суммарной мощностью 14 ТэВ (2·7 ТэВ). Благодаря этим энергетическим монстрам шансы экспериментаторов на обнаружение пресловутых сверхтяжелых «симметричных частиц» значительно возрастают, и, возможно, уже в этом десятилетии мы все-таки услышим об открытии «чарджино», «нейтралино», «хиггсино» и других подобных плодов воспаленного воображения адептов «новой физики». Правда, даже в случае победы теории суперсимметрии конечная общая физическая теория может и не дать никаких практических результатов для человечества – с возможностью подобного итога соглашается и один из теоретиков Великого объединения, нобелевский лауреат Стивен Вайнберг.

Ранее опубликовано:

Журнал «Эксперт», №7 (267). Брукхэйвенская магнитная аномалия.

Дата публикации:

25 февраля 2001 года