Что примерно в 200 раз превышает массу электрона, существует около 2-х миллионных долей секунды, постоянно ударяет по каждому сантиметру поверхности Земли и, кажется, ведет себя так, что пробивает дыру в давно принятых законах физики ?
Это был бы мюон, частица, впервые обнаруженная в конце 1930-х годов , которая образуется в природе, когда космические лучи сталкиваются с частицами в атмосфере нашей планеты. Мюоны проходят сквозь вас и все вокруг со скоростью, близкой к скорости света. Тем не менее, многие из нас, вероятно, даже не осознавали их существование до апреля 2021 года, когда частица попала в заголовки новостей после того, как исследователи из Национальной ускорительной лаборатории Ферми при правительстве США, более известной как Фермилаб, опубликовали первые результаты трехлетнего исследования. -эксперимент с длинным мюоном g-2 .
Исследование Fermilab подтвердило предыдущие выводы о том, что мюон ведет себя таким образом, который противоречит Стандартной модели физики элементарных частиц , теоретической структуре, которая направлена на описание того, как работает реальность на минимальном уровне. Как объясняется в этой статье в Science, мюоны, которые существуют в море других крошечных частиц и воздействующих на них античастиц , на самом деле немного более магнитны, чем предсказывает Стандартная модель. Это, в свою очередь, указывает на возможное существование других, еще неизвестных частиц или сил.
Как объяснил один из исследователей, физик Джейсон Боно в пресс-релизе своего международного университета альма-матер Флориды, команда знала, что, если они подтвердят несоответствие в магнетизме мюонов, «мы не будем точно знать, что его вызывает, но мы знали бы, что это то, чего мы еще не понимаем ".
Первоначальные результаты, наряду с другими недавними исследованиями частиц , могут помочь обосновать новую физику, которая заменит Стандартную модель. Вот видео на YouTube от Fermilab, объясняющее результаты и их значение:
«Мюоны похожи на электроны, только в 200 раз тяжелее», - объясняет Марк Б. Уайз в интервью по электронной почте. Он профессор физики высоких энергий в Калифорнийском технологическом институте и член престижной Национальной академии наук . (Если это вас не впечатлит, он также работал техническим консультантом по ускорителям частиц в голливудском фильме 2010 года «Железный человек 2»).
«Согласно формуле Эйнштейна E = mc2, это означает, что мюоны в состоянии покоя имеют большую энергию, чем электроны», - говорит Уайз. «Это позволяет им распадаться на более легкие частицы, сохраняя при этом энергию в целом».
Другое ключевое отличие заключается в том, что электроны считаются довольно близкими к бессмертным , но мюоны существуют только 2,2 миллионных долей секунды, прежде чем они распадутся на электрон и два типа нейтрино, согласно этому учебнику Министерства энергетики США о частице.
Мюоны, которые постоянно образуются, когда космические лучи сталкиваются с частицами в атмосфере Земли, преодолевают невероятные расстояния за время своего недолгого существования, двигаясь со скоростью, близкой к скорости света. По данным Министерства энергетики США, они поражают каждый дюйм поверхности Земли и проходят почти все на своем непосредственном пути, потенциально проникая на милю или более в поверхность Земли.
Некоторые называют мюоны ключом к пониманию всех субатомных частиц, хотя Уайз не заходит так далеко. «В поисках физики, выходящей за рамки нашего нынешнего понимания, вам следует изучить все частицы», - говорит он. «У мюона есть некоторые преимущества. Например, его аномальный магнитный момент очень точно предсказан, что делает его более чувствительным к новой физике, выходящей за рамки нашей нынешней теории, которая изменила бы это предсказание. В то же время его можно измерить очень точно».
Однако изучение мюонов - непростое дело. Fermilab использует устройство весом 700 тонн (635 метрических тонн), содержащее три кольца, каждое диаметром 50 футов (15 метров), которое через несколько лет было доставлено баржей и грузовиком в Иллинойс из его первоначального дома в Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке. назад. Устройство способно генерировать магнитное поле 1,45 Тесла, что примерно в 30 000 раз больше магнитного поля Земли.
«Удивительно, что для изучения чего-то такого крошечного и недолговечного им нужны эти огромные части оборудования», - объясняет Уайз. «Когда они производятся с высокой энергией, они движутся почти со скоростью света и могут пройти приличное расстояние, прежде чем распадутся. Так что вы можете искать доказательства, которые они оставляют, в детекторе».
Например, поскольку мюоны являются заряженными частицами, они могут ионизировать вещество, через которое проходят. По словам Уайза, электроны, которые образуются в результате этой ионизации, могут быть обнаружены.
Уайз говорит, что недавнее открытие группы Fermilab, что частица немного более магнитные, чем ожидали физики, имеет большое значение. «Это не согласуется с предсказаниями нынешних теорий для магнитного момента мюона (нынешняя теория обычно называется Стандартной моделью). Таким образом, существует некоторая новая физика, выходящая за рамки нашей нынешней теории, которая присутствует и меняет предсказание для этой величины», - говорит
Как и многие другие важные открытия, открытие Фермилабов поднимает новые вопросы, и ученые все еще хотят знать о мюоне.
«Что такое новая физика - это вопрос, который возникает», - говорит Уайз. «Есть также некоторые другие аномалии, которые не объясняются в [Стандартной модели], связанные с мюонами. Связаны ли они все каким-либо образом?»
Уайз также высказывает осторожность в отношении выводов Fermilab. «Возможно, в эксперименте есть какой-то систематический эффект, который непонятен и влияет на интерпретацию измерения», - объясняет он. «То же самое и с теорией. Так что эта аномалия может в конечном итоге исчезнуть. Очень важно как можно больше проверять такие вещи».
Вот это интересно
Как отмечает в своем эссе 2020 года физик из Фермилаборатории Крис Полли , каждая частица во Вселенной - даже в самых глубоких, кажущихся пустыми пространствах космоса - окружена «свитой» других частиц, которые постоянно «мигают» и исчезают. "
