Возможно, многолетняя загадка в физике всё это время была иллюзией

Фото из открытых источников

Согласно новому исследованию, давно предполагавшаяся проблема в физике элементарных частиц заключалась в вычислительных ошибках, а не в нарушении законов природы. Полученный результат закрывает один из самых заманчивых путей к пониманию скрытой силы и укрепляет теорию, которая до сих пор объясняет существование известных частиц. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

На протяжении десятилетий доказательства основывались на поведении мюона — короткоживущей частицы, похожей на электрон, но гораздо более тяжелой.

Возвращаясь к этому упорному противоречию, профессор Золтан Фодор из Университета штата Пенсильвания (PSU) показал, что несоответствие возникло из-за расчетов, а не из-за природных факторов.

Его команда обнаружила, что старая теория совпала с измеренным значением после перерасчета наиболее жесткого элемента, подверженного сильному воздействию. Этот ответ не завершает поиски неизвестных физических явлений, но значительно затрудняет использование загадки мюона в качестве доказательства.

Мюоны в 207 раз тяжелее электронов и сильнее реагируют на тонкие квантовые эффекты. Внутри магнитного поля колебания мюона изменяются, когда короткоживущие частицы кратковременно влияют на его движение, а затем исчезают.

Физики отслеживают это колебание, измеряя, насколько движение частицы отклоняется от простого ожидаемого значения. Поскольку даже мельчайшие неизвестные силы могли изменить это отклонение, мюон стал одним из самых чувствительных методов исследования в физике.

Проблемы возникли из-за сильного взаимодействия — силы, которая удерживает протоны и нейтроны вместе на самом глубоком уровне. Вычислить это становится сложно, потому что одна и та же сила может создать больше частиц в процессе вычислений.

Этот сложный эффект приводит к поляризации адронного вакуума — возмущению сильного взаимодействия, которое изменяет электромагнитное поведение в пустом пространстве.

В течение многих лет неопределенность в этом термине оставляла достаточно места для возможного пробела в известных физических явлениях.

Команда Фодора использовала решеточную квантовую хромодинамику (КХД) — метод, применяемый на суперкомпьютерах, который разбивает пространство-время на крошечные точки сетки. Эти точки сетки позволяют исследователям решать уравнения сильных взаимодействий шаг за шагом, вместо того чтобы полагаться только на более старые данные о столкновениях частиц.

Более ранние расчеты в значительной степени опирались на тысячи экспериментальных результатов, которые затем перерабатывались в одно магнитное число. Расчеты на решетке позволили команде отдельно проверить, действительно ли существует подозрительный зазор.

Точность повысилась, когда команда объединила компьютерные расчеты сетки с надежными экспериментальными данными, используя измерения из областей, где результаты экспериментов уже согласуются.

Вклад в расчеты на короткие и средние расстояния был получен в результате компьютерного моделирования, в то время как вклад в расчеты на самые дальние расстояния был основан на экспериментальных данных с низкой энергией.

Этот самый дальний фрагмент внёс менее 5% в итоговый ответ, поэтому он уменьшил «шум», не перекрывая его. Использование более мелких сеток также позволяет уменьшить ошибки, допущенные в предыдущих работах, снижая остаточную неопределенность в отношении скрытой силы.

Когда новое значение вошло в предсказание Стандартной модели, теория и эксперимент отличались всего на половину стандартного отклонения – это соответствует нормальному статистическому разбросу. Расчет позволил свести неопределенность к ничтожно малой доле и с исключительной точностью совпал с предсказанием теории.

«Мы применили новый метод для расчета этого расхождения и показали, что его нет», — сказал Фодор.

После переформулировки оставшийся разрыв стал слишком мал, чтобы подтвердить старое утверждение о несостоятельности теории. Неизвестные физические явления по-прежнему остаются мишенью, но пятая сила, новое фундаментальное взаимодействие, теперь кажется менее вероятной в данном случае.

В обновленной теории прогнозы уже сместились в сторону результатов, полученных с помощью решеточных моделей, поскольку стало сложнее объединять противоречивые данные.

В будущих экспериментах еще можно будет проверить мюон с помощью различных установок, более чистых пучков и провести новые проверки скрытых взаимодействий.

Заключительные измерения, проведенные в Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми (Fermi National Accelerator Laboratory) — американской лаборатории физики элементарных частиц в Иллинойсе — достигли точности в пределах ничтожно малой доли миллиона. Это означает, что экспериментаторы измерили магнитные свойства мюона с погрешностью, значительно меньшей, чем одна единица на миллион.

Предыдущие измерения в Европе и Нью-Йорке легли в основу обширного массива данных, использованных в сегодняшнем сравнении. Без этих измерений никто не смог бы узнать, соответствует ли новый расчет природе или просто выглядит элегантно.

Результат имеет эмоциональный подтекст, поскольку многие физики надеялись, что это несоответствие выявит новую силу. 

«Люди спрашивают меня, каково это — сделать такое открытие, и, честно говоря, мне немного грустно», — сказал Фодор.

Вместо этого, расчеты укрепили квантовую теорию поля — математическую основу, позволяющую частицам и силам действовать через поля. Это разочарование всё равно можно считать прогрессом, потому что наука продолжает развиваться, несмотря на несостоявшуюся гипотезу.

Теперь данные о мюонах указывают не столько на несостоятельность законов физики, сколько на теорию, проверенную с необычайной точностью как с помощью машин, так и математических методов.

В будущих исследованиях потребуются более веские доказательства, но этот результат позволяет более четко обозначить границы одного из несостоявшихся объяснений, не прекращая при этом поиски.