Физики ограничили вклад еще не открытых бозонов в аномальный магнитный момент электрона

Эксперимент NA64

CERN

Эксперимент NA64
в ЦЕРНе не увидел следов еще не открытых легких бозонов в процессе рассеяния
электрона высоких энергий на ядрах мишени, и тем самым ограничил возможный вклад
таких частиц в аномальный магнитный момент электрона. Кроме того, физики обновили верхние пороги на константу взаимодействия таких частиц с электроном. Точность
полученных ограничений на вклад бозонов в аномальный магнитный момент электрона
оказалась на порядок меньше той точности, с которой сейчас удается его измерять.
Это значит, что существование еще не открытых легких бозонов, взаимодействующих
с электроном, не позволяет объяснить отклонения магнитного момента электрона от
предсказаний Стандартной модели. Статья принята
к публикации в журнале Physical Review Letters,
а ее препринт доступен на сайте arxiv.org.

У электрона, как и у множества других частиц в рамках
Стандартной модели, есть собственный магнитный момент. Фактически это значит,
что с точки зрения магнитных свойств электрон — очень маленькая магнитная
стрелка с очень слабым собственным магнитным полем. В первом приближении этот
магнитный момент обусловлен спином частицы, причем величина этого магнитного
момента пропорциональна спину электрона с коэффициентом из фундаментальных
констант и так называемого g-фактора.
Согласно предсказаниям Дирака, которые ученый получил
еще в 1928 году, этот g-фактор
для фермионов (к ним, в частности, относится электрон) должен быть равен
двойке.

Позже, однако, стало ясно, что на самом деле это не так: на
магнитный момент фермионов также влияют и виртуальные частицы, которые в рамках
Стандартной модели непрерывно рождаются и исчезают парами в вакууме. В первом
порядке такое взаимодействие описывается однопетлевыми
диаграммами Фейнмана, а в случае электрона основной вклад в его магнитный момент
дает его взаимодействие с квантами электромагнитного поля, что приводит к
изменению его g-фактора
на тысячные доли. Для того чтобы в точности предсказать значение магнитного
момента фермиона нужно учесть его взаимодействие со всеми существующими в мире частицами.
Все эти вклады объединяют в так называемый аномальный магнитный момент, равный
полуразности реального магнитного момента частицы и предсказанной Дираком двойки.

Получается, что аномальный магнитный момент фермионов чувствителен
к существованию еще не открытых нами частиц: если измеренный магнитный момент с
хорошей точностью отличается от теоретических предсказаний, то это значит, что
теория что-то не учитывает. Такое открытие было бы доказательством Новой физики,
а в измерениях аномального магнитного момента мюона к такому открытию уже
приблизились вплотную: первые результаты эксперимент Moun g-2 действительно говорят о
существенном отличии предсказаний теории и измеренных значений магнитного момента
мюона. Подтверждение этого открытия позволило бы физикам косвенно доказать
существование еще не открытых тяжелых частиц, ведь сам мюон относительно тяжелый
и поэтому лучше взаимодействует с массивными полями.

Электрон, напротив, легкий по сравнению с мюоном, из-за чего основной вклад в его магнитный
момент вносит именно электромагнитное взаимодействие. Но и тут ученые находят
следы Новой физики: последние измерения аномального магнитного момента электрона
в экспериментах с разными методами дают разные результаты (1, 2), и оба
результата расходятся с предсказаниями
Стандартной модели (один из них — на 1.6σ
меньше, другой — на 2.4σ больше).
Это, в частности, может означать, что электрон взаимодействует с еще не открытыми
легкими бозонами, которые и влияют на его собственный магнитный момент.

Однопетлевые диаграммы Фейнмана, описывающие взаимодействие электрона со скалярным (S), псевдоскалярным (P), векторным (V) и псевдовекторным (A) бозоном.

The NA64 Collaboration / arxiv.org, 2021

Именно эту гипотезу и проверили участники эксперимента N64 в ЦЕРНе. В рамках этого
эксперимента ученые сталкивали электроны с энергией 100 гигаэлектронвольт с фиксированной
мишенью и следили за процессом рассеяния электронов на ядрах. Предполагается,
что именно в таком взаимодействии могут рождаться легкие бозоны
неизвестной природы, которые невидимы для детекторов, но о присутствии которых
можно судить по унесенной ими энергии. Поэтому исследователи тщательно измеряли
энергию всех продуктов такой реакции и проверяли, что в эксперименте не
наблюдается «пропавшей» энергии. Для этого ученые создали модель фона в
используемой установке и проанализировали данные за три года работы эксперимента,
в ходе которых было зарегистрировано 284 миллиарда столкновений электронов с
ядрами мишени.

Полученные ограничения на константу взаимодействия невидимых в эксперименте легких бозонов с электроном.

The NA64 Collaboration / arxiv.org, 2021

В результаты физики не смогли обнаружить в данных следов существования
неизвестных науке скалярных, псевдоскалярных, векторных или псевдовекторных бозонов
с массой меньше 1 гигаэлектронвольта. Эти наблюдения они использовали для того,
чтобы определить максимально возможную константу взаимодействия электрона с еще не открытыми бозонами: оказалось, что накопленных данных достаточно, чтобы
практически на порядок усилить ранее полученные ограничения. Кроме того, ученые
оценили вклад, который такие бозоны могут вносить в суммарное значение
аномального магнитного момента электрона. Полученные пороги почти на всем
диапазоне энергий оказались на порядок меньше значений, найденных в
экспериментах по прямому измерению аномального магнитного момента электрона.
Это значит, что существование еще не открытых легких бозонов не в состоянии объяснить
наблюдаемые отклонения экспериментальных данных от предсказаний Стандартной
модели. Тем не менее, ученые отмечают высокую точность эксперимента NA64, которая уже превысила
таковую у экспериментов по прямым измерениям магнитных моментов частиц. По мнению
физиков, в будущем это позволить расширить область поиска следов Новой физики
на этой экспериментальной установке.

Полученные ограничения на вклад легких бозонов в аномальный магнитный момент электрона

The NA64 Collaboration / arxiv.org, 2021

Следы Новой физики во взаимодействиях с
электронами ищут и не только с помощью измерений аномального магнитного
момента. К примеру, ранее мы рассказывали о том, как физики нашли следы существования
темного бозона в переходах электрона между энергетическими уровнями изотопов
иттербия.
Никита Козырев

Источник: nplus1.ru

голос
Рейтинг статьи
Читать ещё:  Физики впервые переместили накопленный свет

Опубликовано: 01.05.2021 в 12:44

Автор:

Категории: Физика

Подписаться
Уведомить о
guest
0 комментариев
Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии