Учените прекараха десетилетия в търсене на признаци за загадъчна нова сила, скрита в мюона, една от най-странните частици в природата. Но след години на суперкомпютърни изчисления, изследователите откриват, че очевидната аномалия вероятно е грешка в изчисленията - и Стандартният модел все още важи.
В продължение на десетилетия, озадачаващо несъответствие, свързано с малка субатомна частица, наречена мюон, подхранваше спекулациите, че физиците може би са на прага на откриването на изцяло нова природна сила. Сега международен изследователски екип заявява, че загадката изглежда е решена и отговорът подкрепя съществуващата физика, вместо да я опровергава.
Изследователите публикуват своите открития в списание Nature, описвайки едно от най-прецизните изчисления във физиката на елементарните частици, извършвани някога. Работата им показва, че дълго обсъжданото несъответствие между теорията и експеримента вероятно е причинено от ограничения в по-ранни изчисления, а не от доказателства за неизвестна физика.
Десетилетия надежди за "нова физика"
Мистерията се фокусираше върху мюона, краткоживееща частица, която прилича на електрон, но е около 200 пъти по-тежка. В продължение на повече от 60 години измерванията на магнитното поведение на мюона сякаш не съвпадаха с прогнозите, направени от Стандартния модел, рамката, която учените използват, за да опишат фундаменталните частици и сили във Вселената.
Това несъответствие интригува физиците, защото намеква за възможността за неоткрити частици или дори за нова "пета сила" отвъд четирите известни фундаментални сили.
"През последните около 60 години имаше много изчисления и с нарастването на точността им всички те сочеха към несъответствие и ново взаимодействие, което би преобърнало известните закони на физиката", разказва Золтан Фодор (Zoltan Fodor), изтъкнат професор по физика в Държавния университет на Пенсилвания и водещ автор на изследването. "Приложихме нов метод за изчисляване на това несъответствие и показахме, че то не е налице. Това ново взаимодействие, на което се надявахме, просто не е налице. Старите взаимодействия могат да обяснят стойността напълно."
Екипът прекарва повече от десетилетие в усъвършенстване на изчисленията. Крайният им резултат води теоретичните прогнози и експерименталните измервания до съответствие в рамките на по-малко от половин стандартно отклонение. Новата работа на Фодор потвърждава Стандартния модел до 11 знака след десетичната запетая и значително намалява вероятността в това конкретно измерване да се крие неизвестна физика.
"Хората ме питат какво е чувството да направя това откритие и, честно казано, съм малко тъжен", споделя Фодор. "Когато започнахме да изчисляваме тази стойност, си мислехме, че ще получим добро и надеждно изчисление за нова пета сила. Вместо това открихме, че няма пета сила. Намерихме много точно доказателство не само за Стандартния модел, но и за квантовата теория на полето, която е основата, върху която е изграден Стандартният модел."
Странното магнитно поведение на мюона
Изследването се фокусира върху свойство, известно като магнитен момент на мюона, което описва колко силно частицата действа като малък магнит. Квантовата теория предсказва, че стойността трябва да е равна точно на две, представлявайки връзката между колебанието на частицата и магнитното поле, което я заобикаля.
В реални експерименти обаче стойността се измества леко, защото други частици за кратко се появяват и изчезват в празното пространство, като по този начин неусетно влияят на поведението на мюона. Това малко отклонение е известно като "аномален магнитен момент" или g−2.
Тъй като мюоните са много по-тежки от електроните, те са особено чувствителни към тези мимолетни квантови ефекти. Тази чувствителност е направила мюонния g−2 едно от най-внимателно изучаваните измервания в съвременната физика.
Експерименти, проведени в ЦЕРН през 60-те и 70-те години на миналия век, по-късно в Националната лаборатория Брукхейвън и по-скоро в Националната ускорителна лаборатория Ферми, всички измерват магнитния момент на мюона със забележителна прецизност. Тези експерименти наскоро спечелиха наградата "Пробив във фундаменталната физика", една от най-престижните научни награди в света.
В продължение на години експерименталните измервания продължават да изглеждат несъвместими с прогнозите на Стандартния модел, което засилваше надеждите, че нещо съвсем ново може да влияе на мюона.
Защо силното взаимодействие прави проблема толкова труден
Предизвикателството при изчисляването на поведението на мюона произлиза до голяма степен от силното взаимодействие, най-мощното от четирите известни фундаментални сили. Силното взаимодействие свързва кварките заедно вътре в протоните, неутроните и други частици.
За разлика от гравитацията или електромагнетизма, силното взаимодействие става по-силно, когато частиците се отдалечават една от друга, подобно на гумена лента, която се разтяга все повече, колкото повече се дърпа. Опитът за разделяне на частици, свързани от силното взаимодействие, изисква толкова много енергия, че по време на процеса могат да се образуват изцяло нови частици. Тези допълнителни частици допълнително усложняват изчисленията.
Поради тази изключителна сложност, точното предсказване на поведението на мюона в рамките на Стандартния модел остава един от най-трудните проблеми във физиката на елементарните частици.
Суперкомпютри и решетъчна квантова хромодинамика
За да се справят с проблема, изследователите разчитат на решетъчна квантова хромодинамика, изчислителна техника, която симулира силното взаимодействие с помощта на огромни суперкомпютри. Методът разделя пространството и времето на изключително фина мрежа или решетка, което позволява на учените числено да решават уравненията, управляващи взаимодействията на частиците.
"Старата методология включваше събиране на хиляди експериментални резултати и преосмислянето им, за да се получи единственото число, магнитният момент на мюона", отбелязва Фодор. "Нашият подход бе напълно различен. Разделихме пространство-времето на много малки клетки, решетка, след което решихме уравненията на Стандартния модел върху това. Зад това изчисление стоеше ужасно много теория, математика, програмиране, изчислителни знания и компютърна архитектура."
През последното десетилетие изчисленията на решетки станаха все по-мощни, но прецизността, необходима за изчислението на мюон g−2, остава изключително трудна за постигане. Поради това екипът комбинира няколко подхода.
Те използват решетъчни изчисления за къси и средни разстояния между клетките, като същевременно включват високонадеждни експериментални измервания за по-големи разстояния, където съществуващите данни вече силно съответстват. Тази хибридна стратегия намалява несигурността по-ефективно, отколкото разчитането само на един от двата метода.
Изследователите също така симулират уравненията, използвайки по-фини решетки в сравнение с предишните изследвания, което допълнително подобрява прецизността и намалява възможните грешки.
Окончателното изчисление представлява най-точното определяне досега на магнитния момент на мюона. Когато се включи в пълното предсказание на Стандартния модел, дългогодишното несъответствие с експериментите по същество изчезва.
"Предвиждането комбинира електромагнитни, слаби и силни взаимодействия, всяко от които изисква изключително различни теоретични инструменти, в едно изчисление, което е с точност до части на милиард", обяснява Фодор. "Това показва, че наистина разбираме как работи природата на невероятно дълбоко ниво."
Какво означава резултатът за физиката
Според изследователите, откритията не изключват напълно възможността за скрита физика. Въпреки това, една от най-силните потенциални улики, сочещи отвъд Стандартния модел, сега става далеч по-малко убедителна.
Бъдещите експерименти все още могат да разкрият доказателства за нови частици или сили другаде, но засега Стандартният модел продължава да издържа на интензивно проучване.
"Не получихме петата сила, но получихме много добро, вероятно най-доброто доказателство за квантовата теория, която е основната теория на цялото ни разбиране за най-фундаменталните въпроси на природата", посочва Фодор.
Справка: A. Boccaletti, Sz. Borsanyi, A. Cotellucci, M. Davier, Z. Fodor, F. Frech, A. Gérardin, D. Giusti, A. Yu. Kotov, L. Lellouch, Th. Lippert, A. Lupo, B. Malaescu, S. Mutzel, A. Portelli, A. Risch, M. Sjö, F. Stokes, K. K. Szabo, B. C. Toth, G. Wang, Z. Zhang. Hybrid calculation of hadronic vacuum polarization in muon g − 2 to 0.48%. Nature, 2026; 653 (8114): 373 DOI: 10.1038/s41586-026-10449-z
Източник: Particle thought to break physics followed rules all along, Penn State
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари
Прост Човек
Последната теорема на Стивън Хокинг преобръща времето и причинността
Прост Човек
Разрязването на фотон на две създава безкраен рояк от частици
zlatkov
Учени сканират 74 милиона радиосигнала от междузвезден обект за признаци на извънземни технологии
Джендо Джедев
За срещата на Земята с Халеевата комета през 1910 г. някои са пили "противокометни хапчета"