Посланные с неба: что умеют частицы мюоны, и почему они «ломают» современную физику

Учёные в разное время пытались использовать необычные частицы, но столкнулись с их особой аномалией, — она намекает на существование неизвестных сил природы.

7 апреля 2021 года физики объявили результаты многолетнего эксперимента над элементарными частицами мюонами: между теорией и опытом наблюдается разница. По мнению журнала Science, это событие стало одним из ключевых в науке за уходящий год. Расхождение «намекает» на существование пока неизвестных новых частиц или сил, влияющих на результаты.

Мюонами интересовались и раньше. Их необычную способность пролетать сквозь предметы на Земле, теряя немного энергии, пытались использовать для поиска скрытых помещений египетских пирамид и поиска контрабанды. Сегодня мюоны ещё тщательнее изучают: возможно, они, как улика на месте преступления, выведут науку к чему-то совершенно новому, — или заведут в тупик.

В 1912 году физики активно использовали электроскоп для обнаружения электрических зарядов: это очень простой прибор в виде стеклянной бутылочки со стержнем и двумя листками фольги внутри. Нужный предмет прикладывали к устройству, и, если он имел заряд, кусочки фольги двигались ближе или дальше друг от друга. Но электроскоп таил загадку, — он всё время планомерно разряжался, даже когда его изолировали в свинцовой оболочке.

Тогда физик Виктор Гесс предположил, что существует некое проникающее излучение из космоса, влияющее на заряд электроскопа, и отправился к краю атмосферы на воздушном шаре. С помощью собственного детектора он сумел обнаружить некоторые частицы, положив начало новой науке — астрофизике космических лучей.

Из глубокого космоса в земную атмосферу круглый год попадают частицы, сталкиваясь с атомами воздуха. Это порождает ливень осколков ядер и более новых частиц, словно капелек воды из распылителя, — среди них летят и очень легкие пионы, распадающиеся вскоре на мюоны. Они так сильно похожи на другие элементарные частицы электроны, что их называют копиями, но с большей массой: в 206,7 раз. Физикам до сих пор непонятно, зачем в природе существуют подобные «близнецы».

Возникнув после распада пионов, мюоны устремляются к поверхности Земли: на это у них несколько микросекунд до гибели. За это время частицы успевают безвредно мелькнуть сквозь самые прочные объекты, людей и даже проникнуть глубоко под землю. Неудобства ощущают разве что физики во время экспериментов, поскольку частицы создают фон некоторым детекторам, а укрыться от сыплющихся мюонов возможно лишь глубоко под землёй.

Обычно космические лучи сталкиваются на высоте 100 километров, но простое умножение скорости на время показывает: длительность жизни мюонов позволит им лететь лишь несколько километров до распада. Теория относительности Эйнштейна помогает решить эту проблему: чем ближе к скорости света двигается объект, тем медленнее проходят его часы.

Физиков начала прошлого века сразу заинтересовали проникающие способности новых частиц. Если они мчатся сквозь предмет, то, установив детекторы с обеих сторон, можно считать поток мюонов, а по итогу получить снимок внутренностей — просвет. Метод особенно привлекает бесплатностью и безопасностью, но, с обратной стороны, время снимка может составлять дни и даже недели, ведь естественный фон частиц невелик.

Наблюдая за рассеиванием и поглощением мюонов, можно построить и трёхмерную структуру объекта, главное правильно расположить детекторы для наблюдений за углами отклонения после прохождения через объём. Учёным не пришлось долго ждать возможностей применить новую идею на практике, — первыми сочли наработки физиков полезными и пошли навстречу археологи.

В 1960-х годах видный физик-экспериментатор Луис Уолтер Альварес при поддержке Объединенной Арабской Республики решил отыскать в пирамиде Хефрена ранее неизвестные помещения. Для этого в погребальную камеру установили считающий мюоны детектор, и запустили первые испытания. Оказалось, что влетающие через ребро пирамиды частицы задерживаются сильнее боковых мюонов, а значит, обнаружить полости действительно возможно.

Если в пирамиде находится скрытая камера, то свободное пространство задержит частицы слабее плотного вещества рядом. Поэтому физики в последний раз скорректировали детектор и составили карту масштабом три на три градуса для точного отслеживания статистики. Набор данных длился месяцами, миллионы мюонов проходили сквозь камень, а учёные терпеливо готовились к анализу результатов — полотна из цифр, содержащего заветный ответ.

Особенный интерес вызывали данные первых двух месяцев, — физики наблюдали пустоту в 30 метрах выше детектора. Но, уточнив геометрию пирамиды, аномалия пропала, освободив время для изучения остальных событий. В 1970 году учёные закончили эксперимент и опубликовали его результаты в журнале Science. Долгие месяцы работы улучшили технику мюонной томографии, что и оказалось единственным достижением.

В 2015 году физики запустили новую миссию ScanPyramids: цели и методы оставались прежними, но объект изменили. Пирамида Хеопса представляла больший интерес из-за своей нестандартной организации и сообщений прошлых лет, согласно которым в ней существуют пустоты. Детекторы разместили внутри «Камеры царицы» и принялись регистрировать мюоны.

Несколько месяцев сбора данных принесли результаты, — в пирамиде обнаружили крупную неизвестную камеру выше коридора, ведущего к гробнице. Находка стала кульминацией проекта Луиса Альвареса, начатого ещё в 1960-х годах, хотя ведущие египтологи вскоре подвергли критике культурную ценность пустоты.

Если при мюонной томографии важны поглощённые частицы, то при более совершенной мюонной радиографии измеряется их рассеивание. В тонких объектах мюоны не сильно задерживаются, поэтому снимок ничего не покажет. Однако, поставив детекторы до и после объекта, можно изучать углы отклонения частиц в веществе. К тому же, более тяжёлые атомы сильнее влияют на траекторию мюонов, что позволяет определять состав.

Технологией заинтересовались власти США, беспокоясь о контрабанде ядерных материалов. Прототипы мюонных детекторов для таможенных служб испытывали с 2005 года, что помогло создать серийный сканер MMPDS: он исследует любой груз без вреда для людей и окружающей среды менее, чем за минуту, надёжно обнаруживая опасное содержимое.

В 2015 году физики решили изучить внутренности энергоблока АЭС Фукусима тем же методом. Пока частицы сыпались с неба, детекторы улавливали их траекторию: спустя месяц на первых изображениях уже виднелся изменённый аварией реактор.

Когда пионы, предшественники мюонов, летят после удара сквозь воздух, некоторые из них сталкиваются с молекулами атмосферы и разрушаются. Чем плотность воздуха выше, тем чаще пионы сталкиваются и тем меньше мюонов регистрируют на земле. Это помогает отслеживать погоду и явление «турбулентности ясного неба», представляющее опасность для авиации. В России такие исследования проводят на годоскопе «Ураган».

В 1970-х годах учёные построили Стандартную модель — это очень ёмкая и складная теория элементарных частиц: электронов, протонов, мюонов и других. С её помощью можно делать тысячи самых разных теоретических расчётов, и, как правило, все они прекрасно согласуются с опытом. Но физики всё чаще отмечают: Стандартная модель однозначно неполна. Существуют явления, описать которые она не способна. Вот некоторые из них:

Недостатки Стандартной модели приводят физиков к мысли, что она лишь небольшая часть какой-то более грандиозной теории. Поэтому все необъяснимые явления относят к Новой физике и активно её ищут. Для этого существует метод: сначала необходимое рассчитывают с помощью Стандартной модели, то есть получают теорию, а потом её проверяют экспериментом с самой высокой точностью из доступных.

В итоге, если теория говорит одно, а на деле всё иначе, можно говорить о Новой физике. Для удобства расхождение мерят с помощью стандартного отклонения. Когда оно находится в пределах от двух до четырёх сигм, учёные считают явление интересным и изучают глубже, если больше пяти сигм — состоялось полноценное открытие.

Новую физику ищут с помощью Большого адронного коллайдера и массы самых разных экспериментов. Открыть её, — значит почти наверняка получить Нобелевскую премию и войти в историю. Самые незначительные отклонения внимательно рассматриваются, это обсуждают и исследуют.

Все элементарные частицы обладают магнитным моментом — собственными магнитными свойствами. В 1957 году физики установили магнитный момент и для мюонов: он оказался равен двойке при не самых точных измерениях. Поэтому со временем стало понятно — двойка наивное и слишком грубое значение, а на самом деле магнитный момент мюона несколько больше.

Тогда исследователи решили искать недостающее число, прибавка которого к уже известной двойке позволит определить истинную величину. Это небольшое отклонение от данных 1957 года назвали аномальным магнитным моментом мюна, хотя в нём нет ничего сверхъестественного или необъяснимого, просто физикам так удобнее.

Чтобы обнаружить неизвестную «прибавку», учёные придумали запустить мюоны в магнитное поле: там они начнут описывать круги, а ещё немного поворачиваться сами, — это явление называется спином (от английского spin – вращаться). Измерив его, легко узнать и аномальный магнитный момент, нужно лишь учесть напряжённость магнитного поля.

Отследить небольшое поворачивание мюона оказалось не сложно: частицы распадаются с образованием летящих в сторону электронов. Измерив их направления датчиками, можно понять и куда «смотрел» спин мюона до распада, тогда как напряжённость магнитного поля уже заранее известна. Поэтому с 1970-х годов физики успешно измеряли аномалии мюонов, стараясь улучшить точность до миллиардных долей.

В конце 1990-х годов состоялся грандиозный эксперимент, в ходе которого предстояло сравнить теорию с опытом в поисках Новой физики. В Брукхейвенской национальной лаборатории США запускали исследование под кодовым названием E821 по измерению магнитного момента мюона, на руку играло и достижение теоретиками предельной точности. В 2001 году появились и первые результаты, — расхождение наблюдается.

Работа учёных закипела и в следующие годы новые данные старались уточнить, пока в 2006 году коллегия эксперимента E821 не опубликовала окончательный результат: расхождение около трёх сигм действительно существует. Поскольку это всё ещё не открытие, итоги подтолкнули физиков к работе над новым проектом для достижения лучшей точности в поисках истины.

К 2020 году рабочие группы физиков подготовили отчёт на несколько сотен страниц, где указывалось наиболее точное теоретическое значение аномального магнитного момента мюона. За практическое выполнение миссии взялась американская лаборатория Fermilab, а эксперимент получил новое кодовое название E989 Muon g-2. Сложную установку строили в одном штате, потом перевозили в другой по морю и шоссе, затем долго собирали и настраивали, пока в 2018 году она не оказалась готова к работе.

В эксперименте применили и «слепой метод» для объективности. Если учёный знает все результаты опыта, то он может выбирать между способами их обработки для получения желаемой величины. Чтобы исключить такую возможность, от группы исследователей скрывают некоторый параметр, без которого не ясен и финальный результат. В эксперименте Fermilab держали в тайне частоту отсчётов сверхточных часов, — она хранилась в конверте у двух человек вне научной группы. Когда время пришло, конверт вскрыли, а параметр добавили в почти готовую формулу.

7 апреля 2021 года учёные объявили об этом в журнале Physical Review Letters, — отклонение никуда не пропало, теперь оно не около прошлых трёх сигм, а полноценные четыре целых две десятых. Уже на следующий день появились десятки исследовательских работ, пытающихся объяснить расхождение Новой физикой. Следующая цель недалёкого будущего в достижении ещё лучшей точности: на 150% выше.

Учёные оказались запутаны ещё одним событием. Всего за день до результатов Fermilab журнал Nature опубликовал статью с новыми теоретическими расчётами. Дело в том, что на аномальный магнитный момент мюона влияют особые частицы адроны. Это влияние очень сложно посчитать, поэтому физики используют модели на экспериментальных данных. Но можно использовать и прямой метод, — для этого нужны серьёзные вычислительные мощности.

Авторы статьи заявили, что им удалось выполнить такие расчёты на суперкомпьютере, определив вклад адронов в аномальный магнитный момент мюонов. В отличие от данных рабочей группы 2020 года, их теория почти соответствуют эксперименту, а значит никакого отклонения нет.

Несмотря на это, физики готовятся проводить эксперименты снова. Возможно, в ближайшие годы им удастся открыть для человечества Новую физику, или наоборот — необычные свойства мюонов навсегда останутся в прошлом.

#наука #физика #разборы #лигаавторов #лонгриды