Десятилетиями физики таращились на крошечную субатомную частицу под названием мюон и взволнованно шептались о потенциальной пятой силе природы. Теперь международная исследовательская группа под руководством физика из Пенсильванского университета вылила ушат холодной воды на всю эту затею. Их выводы, опубликованные в журнале Nature, предполагают, что давно наблюдаемое расхождение в магнитном поведении мюона вовсе не было признаком новой физики — это была просто математическая проблема.

Загадка вращалась вокруг мюона, короткоживущей частицы, которая по сути является более массивным кузеном электрона, веся примерно в 200 раз больше. На протяжении более 60 лет измерения магнитного момента мюона — того, насколько сильно он действует как крошечный магнит — казалось, расходились с предсказаниями Стандартной модели, свода правил для всех известных фундаментальных частиц и сил. Это несоответствие заставило всех надеяться на неоткрытые частицы или даже на гламурную новую «пятую силу» помимо обычных четырех.

«За последние 60 лет было много вычислений, и по мере того, как они становились все более точными, все они указывали на расхождение и новое взаимодействие, которое перевернуло бы известные законы физики», — сказал Золтан Фодор, заслуженный профессор физики Пенсильванского университета и ведущий автор исследования. «Мы применили новый метод для расчета этой величины расхождения и показали, что его нет. Этого нового взаимодействия, на которое мы надеялись, просто не существует. Старые взаимодействия полностью объясняют значение».

Команда потратила более десяти лет, уточняя свои расчеты, в конечном итоге приведя теоретические предсказания и экспериментальные измерения в соответствие в пределах менее половины стандартного отклонения. Результат подтверждает Стандартную модель с точностью до 11 знаков после запятой и значительно сужает шансы того, что в этом конкретном измерении скрывается неизвестная физика.

«Люди спрашивают меня, каково это — сделать это открытие, и, честно говоря, я чувствую себя несколько грустным», — признался Фодор. «Когда мы начали вычислять эту величину, мы думали, что получим хороший и надежный расчет для новой пятой силы. Вместо этого мы обнаружили, что пятой силы нет. Мы нашли очень точное доказательство не только Стандартной модели, но и квантовой теории поля, которая является основой, на которой была построена Стандартная модель».

Исследование было сосредоточено на аномальном магнитном моменте мюона, или g−2, крошечном отклонении от ожидаемого значения, равного ровно двум. Поскольку мюоны тяжелее электронов, они необычайно чувствительны к мимолетным квантовым эффектам — частицам, которые появляются и исчезают в пустом пространстве. Эксперименты в ЦЕРНе в 1960-х и 1970-х годах, позже в Брукхейвенской национальной лаборатории, а совсем недавно в Национальной ускорительной лаборатории Ферми измерили это с замечательной точностью, получив Премию за прорыв в фундаментальной физике. Но цифры никогда не совпадали с теорией — до сих пор.

Основная головная боль исходила от сильного взаимодействия, самой мощной из четырех известных сил, которая связывает кварки внутри протонов и нейтронов. В отличие от гравитации или электромагнетизма, сильное взаимодействие усиливается по мере удаления частиц друг от друга — как резинка, которая натягивается тем сильнее, чем больше вы тянете. Чтобы точно предсказать поведение мюона, команда использовала решеточную квантовую хромодинамику, вычислительный метод, который моделирует сильное взаимодействие на суперкомпьютерах, разделяя пространство и время на чрезвычайно мелкую сетку.

«Старая методология включала сбор тысяч экспериментальных результатов и их повторную интерпретацию для получения единственного числа — магнитного момента мюона», — сказал Фодор. «Наш подход был совершенно иным. Мы разделили пространство-время на очень маленькие ячейки, решетку, а затем решили уравнения Стандартной модели на ней».

За последнее десятилетие команда объединила решеточные вычисления для коротких и средних расстояний с высоконадежными экспериментальными измерениями для больших расстояний, используя более мелкие решетки, чем в предыдущих исследованиях, чтобы уменьшить неопределенность. Окончательный расчет представляет собой наиболее точное определение магнитного момента мюона на сегодняшний день.