Итоги грандиозного международного эксперимента Muon g-2, в котором большую роль сыграли расчеты российских ученых, отодвигают наступление эпохи Новой физики
Еще недавно казалось, что сенсация близка. Научный мир был готов к тому, что фундамент Стандартной модели (СМ) — современной теории взаимодействий элементарных частиц, из которых состоит окружающий нас мир, — пошатнется в очередной экспериментальной проверке.
Напомним, Стандартная модель, основы которой были заложены еще в начале прошлого века, позволяет глубоко заглянуть в микромир атома и рассчитать взаимодействия множества составляющих его «кирпичиков», включая кварки, лептоны и бозоны, то возникающие, то исчезающие в вакууме. Но в ее раскладке нет объяснения существования темной материи (а это 27% содержимого Вселенной), гравитационной частицы, всех загадочных свойств нейтрино, дисбаланса материи и антиматерии, ускорения расширения Вселенной.
«Хотя СМ хорошо работает, мы абсолютно точно понимаем, что это не последняя физическая теория. Она описывает то, как устроена природа, на тех масштабах и энергиях, до которых мы дотягиваемся, — поясняет заместитель директора Института ядерной физики Сибирского отделения РАН (ИЯФ СО РАН) по научной работе, заведующий кафедрой физики элементарных частиц Новосибирского государственного университета Иван Логашенко на сайте института. — Когда мы выходим за рамки привычных масштабов при помощи астрофизических наблюдений, изучаем, как была устроена Вселенная в первые мгновения своего существования, то видим, что СМ многое не может описать. Например, мы знаем, что сегодня Вселенная заполнена веществом, темной материей, а в СМ нет какой-то частицы, из которой она могла бы состоять. То есть заведомо есть что-то, что находится за пределами СМ. Физики-теоретики придумывают очень много всевозможных теорий Новой физики, которые расширяют СМ. Их существует сотни, но как выбрать ту, которая реализуется в природе?»
Первые волнения по поводу того, что скоро Стандартная модель будет обновлена, появились еще в 2006 году. Тогда в Брукхейвенской национальной лаборатории (США) в ходе эксперимента Muon g-2 было проведено точное измерение аномального магнитного момента мюона (АМММ) — одной из субатомных частиц, которая вступает во все известные физические взаимодействия (в микромире их зафиксировано три: электромагнитное, сильное и слабое; идут поиски четвертого — гравитационного), а также имеет относительно большую массу и долгое, по меркам микромира, время жизни (а значит, ее можно поймать и изучить).
Величина АМММ аккумулирует эффект от всех частиц, которые существуют в природе: магнитный момент отражает силу взаимодействия мюона с магнитным полем, а аномальный магнитный момент — взаимодействие частицы с короткоживущими ненаблюдаемыми или виртуальными частицами, которыми заполнен вакуум.
Гонка физиков за вычислением АМММ идет сразу в двух направлениях: теоретики стремятся повысить точность расчетов предсказания этой величины в Стандартной модели, а экспериментаторы — точность ее измерения.
Если практика не согласуется с теорией, это означает, что наука приближается к открытию новой, до сих пор не предсказанной частицы, или пятой силы природы, что перевернет с ног на голову всю Стандартную модель, то есть наше представление об устройстве Вселенной на микроуровне.
Тогда, почти двадцать лет назад, результаты эксперимента впервые показали серьезное расхождение с теоретическими расчетами — и это стало огромным потрясением для физики элементарных частиц. Все последующее годы эта область науки провела в ожидании революции, параллельно совершенствуя и теоретические, и экспериментальные вычисления АМММ.
В 2017 году эксперимент Muon g-2 был перестроен и продолжен с более интенсивным пучком мюонов и более тонкой настройкой магнитного поля в Fermilab — лаборатории министерства энергетики США близ Чикаго. В этом проекте было собрано в 20 раз больше данных. В 2021 году после обработки значительной их части были обнародованы промежуточные итоги, и они снова произвели фурор.
Разница между экспериментальным и теоретическим значениями АМММ составила 4,2 стандартного отклонения, и это довольно много: при люфте 5 можно было бы уверенно говорить о необходимости пересмотра всей концепции Стандартной модели.
Все шло к тому, что СМ в ее существующем формате не выдержит проверку на прочность и для науки откроется путь к Новой физике, в которой будут заполнены многие или даже все имеющиеся пробелы.
Однако в 2023 году прозвучал первый сигнал о том, что объявлять наступление новой эры науки, скорее всего, преждевременно. Пришел он из Новосибирска, из ИЯФ СО РАН, где ученые уже в своей «адской машине» — расположенном в подземном бункере института 400-метровом коллайдере ВЭПП-2000 — проводят исследования, которые позволяют на основе данных, полученных при столкновении электронов и позитронов, корректировать предсказания АММ в рамках Стандартной модели.
По словам Ивана Логашенко, в новые расчеты закладываются данные, которые ранее не учитывались, — и это двигает теорию вперед. В итоге расчеты на ВЭПП-2000 оказались значительно ближе к замерам проекта Muon g-2, чем предыдущие теоретические выкладки.
«Результаты, полученные в Новосибирске, существенно изменили точку зрения на проблему расхождений в аномальном магнитном моменте мюона. Если до наших измерений сообщество было практически готово объявить об обнаружении Новой физики, то теперь акцент сместился в сторону того, что Стандартная модель, как и прежде, остается верной. Необходимо дальше продолжать повышать точность экспериментов и расчетов», — комментировал тогда старший научный сотрудник ИЯФ Федор Игнатов.
Новые данные из России побудили коллаборацию Muon g-2 Theory Initiative, в которой состоят и ученые ИЯФ, провести дополнительные расчеты АМММ при помощи другой методики, так называемых решеточных вычислений, и они подтвердили справедливость поправок от наших физиков.
Стало ясно, что многолетнее противостояние теории и эксперимента подходит к концу. Финальная точка в закрутившейся интриге с обновлением Стандартной модели была поставлена совсем недавно после обработки всех данных измерений Fermilab: в начале июня 2025 года чикагская лаборатория выпустила официальное заявление о том, что экспериментальные результаты оказались поразительно близки к теоретическим расчетам: не более одного отклонения. Точность замеров АМММ в Muon g-2 составила 0,000013% — как говорят сами авторы исследования, если бы так филигранно измеряли территорию США, то было бы заметно исчезновение даже одной песчинки.
«На данный момент это самое детальное измерение АМММ. В ближайшие десять лет на ускорительном комплексе J-PARC в Японии планируют сделать свое измерение АМММ и, возможно, побить рекорд Fermilab, но это еще очень далекое будущее», — говорит Иван Логашенко.
Отметим, что опыты на коллайдерах с мюонами по точности до сих пор в несколько раз превосходят теоретические расчеты, так что гонка физиков за рекордами измерений продолжится.
«Мы планируем модернизировать детекторы коллайдера ВЭПП-2000 и провести новый раунд измерений вероятности рождения адронов при столкновении электронов и позитронов и надеемся получить рекордную в мире точность, — заявил Иван Логашенко. — Наши данные позволят увеличить точность расчета АМММ в несколько раз, и она станет сопоставимой с точностью экспериментального значения. Чем большей точности мы достигаем, тем все на меньших и меньших расстояниях, или на больших энергиях, мы проверяем Стандартную модель. Сейчас мы понимаем структуру и свойства материи на масштабах порядка 1/1000 размера протона, то есть порядка одного аттометра. Чтобы продвинуться дальше, нужно проводить еще более точные измерения и расчеты».
И хотя на первый взгляд может показаться, что попытки ученых разобраться в хаосе множества частиц внутри атома не имеют связи с реальной жизнью с ее вполне ощутимым беспорядком, это не так. В частности, в проектах ИЯФ благодаря повышению сложности экспериментов по ядерной физике развиваются технологии цифровой рентгенографии, создаются устройства для избирательного поражения бором злокачественных клеток в раковых опухолях, оборудование для диагностики механического поведения материалов при разных нагрузках.
Когда-нибудь возможности науки по проникновению внутрь вещества достигнут такого уровня, что любой макрообъект, включая человека, можно будет представить как сумму взаимодействий множества элементарных частиц — протонов, нейтронов, электронов, мюонов, фотонов, позитронов, пионов, нейтрино и многих других — со всеми их превращениями и перемещениями на скоростях, близких к световой.