Новый эксперимент позволил наиболее точно измерить самогенерируемое магнитное поле электрона, и на карту поставлена субатомная модель Вселенной.
В классической физике вакуум — это полная пустота — истинное проявление небытия. Но квантовая физика говорит, что пустое пространство на самом деле не пусто. Вместо этого он кишит «виртуальными» частицами, которые появляются и исчезают слишком быстро, чтобы их можно было обнаружить. Ученые знают, что эти виртуальные частицы существуют, потому что они значительно улучшают качество обычных частиц.
Одним из ключевых свойств, которое изменяют эти шипучие частицы, является крошечное магнитное поле, создаваемое одним электроном, известное как его магнитный момент. Теоретически, если бы ученые могли объяснить все типы существующих виртуальных частиц, они могли бы провести математические расчеты и выяснить, насколько сильно должен быть искажен магнитный момент электрона из-за плавания в этом пуле виртуальных частиц. Имея достаточно точные инструменты, они могли сверять свою работу с реальностью. Максимально точное определение этого значения помогло бы физикам определить, какие именно виртуальные частицы играют с магнитным моментом электрона — некоторые из них могут принадлежать завуалированному сектору нашей Вселенной, где, например, находится вечно неуловимая темная материя.
В феврале четыре исследователя из Северо-Западного университета объявили, что именно это они и сделали. Их результаты, опубликованные в Physical Review Letters, сообщают о магнитном моменте электрона с ошеломляющей точностью: 14 знаков после запятой, что более чем в два раза точнее предыдущего измерения в 2008 году.
Это может показаться перебором. Но на карту поставлено гораздо больше, чем математическая точность. Измеряя магнитный момент, ученые проверяют теоретическую основу физики элементарных частиц: стандартную модель. Подобно физической версии периодической таблицы, она представляет собой схему всех частиц, известных в природе: субатомных, составляющих материю, таких как кварки и электроны, и тех, которые переносят или опосредуют силы, таких как глюоны и фотоны. Модель также поставляется с набором правил поведения этих частиц.
Но физики знают, что стандартная модель неполна — в ней, вероятно, отсутствуют некоторые элементы. Прогнозы, основанные на модели, часто не совпадают с наблюдениями реальной Вселенной. Он не может объяснить ключевые загадки, такие как то, как Вселенная раздулась до своих нынешних размеров после Большого взрыва, или даже как она вообще может существовать — полная материи и почти полностью отсутствующая антиматерия, которая должна была нейтрализовать ее. Модель ничего не говорит и о темной материи, склеивающей галактики, или о темной энергии, стимулирующей космическое расширение. Возможно, его самым вопиющим недостатком является неспособность объяснить гравитацию. Поэтому невероятно точные измерения известных частиц являются ключом к выяснению того, чего не хватает, потому что они помогают физикам выявить пробелы в стандартной модели.
«Стандартная модель — это наше лучшее описание физической реальности», — говорит Джеральд Габриэльс, физик из Северо-Западного университета, соавтор нового исследования, а также результата 2008 года. «Это очень успешная теория, поскольку она может предсказать практически все, что мы можем измерить и проверить на Земле, но она неправильно понимает Вселенную».
Фактически, наиболее точное предсказание стандартной модели — это значение магнитного момента электрона. Если предсказанный магнитный момент не совпадает с тем, что наблюдается в экспериментах, расхождение может быть ключом к тому, что в игру вступают неоткрытые виртуальные частицы. «Я всегда говорю, что природа говорит вам, какие уравнения верны», — говорит Син Фан, физик из Северо-Западного университета, который возглавлял исследование, будучи аспирантом Гарвардского университета. «И единственный способ проверить это — сравнить свою теорию с реальным миром».
Электрон поддается тестированию, потому что он стабилен, что позволяет измерять частицы в течение длительных периодов времени в хорошо контролируемой среде. «Часто в физике бывает так, что что-то можно очень хорошо рассчитать, но нельзя очень хорошо измерить, или наоборот», — говорит Хольгер Мюллер, физик из Калифорнийского университета в Беркли, не участвовавший в работе. Но это тот редкий случай, когда можно сделать и то и другое, говорит он, что дает возможность проверить стандартную модель.
Чтобы измерить магнитный момент, исследователи заперли один электрон в металлической камере, используя сверхстабильное магнитное поле, которое заставляло электрон вращаться, как волчок. Они измерили частоту этого движения и ее отличие от частоты вращения электрона — своего рода собственный угловой момент. Отношение между этими величинами пропорционально магнитному моменту электрона. Значение, которое они получили, составило 1,00115965218059. Это число настолько точное, по словам Фэна, что это похоже на измерение роста человека с погрешностью, в тысячу раз меньшей, чем диаметр атома.
Это измерение совпадает с предсказанным значением стандартной модели, по крайней мере, до 12 знаков после запятой. Это означает, что стандартная модель безопасна — пока. «Когда я увидел, как вышла газета, первым моим выводом было чувство облегчения, — говорит Мюллер.
Но согласуются ли последние две цифры, все еще остается загадкой, которую нельзя решить, пока физики не выяснят связанную величину, называемую постоянной тонкой структуры, которая является мерой силы электромагнитного взаимодействия и используется для вычисления стандарта. модельное предсказание его магнитного момента. (То, действительно ли эта константа одинакова во всей Вселенной, станет еще одним ключом к точности стандартной модели.) В настоящее время для нее есть два основных значения — Мюллер измерил одно из них, — но они дают разные ответы на то, каков магнитный момент электрона. должно быть. «Они пытаются выяснить, что пошло не так», — говорит Габриэльс. «И мы очень хотим, чтобы они это исправили».
Есть еще одна частица, которую ученые внимательно изучают в поисках подсказок: мюон, нестабильный кузен электрона. Он более чем в 200 раз тяжелее, что значительно облегчает его изучение. Два года назад исследователи из Fermilab измерили магнитный момент мюона и обнаружили, что он не соответствует тому, что предсказывает стандартная модель. Но этот результат далеко не так точен, говорит Габриэльс — погрешность составляет около одной части на миллион, в отличие от измерения электронов в части на триллион. Так что до сих пор не ясно, указывает ли несоответствие мюона на новую физику или на экспериментальную ошибку.
По сравнению с мюоном, меньшая масса электрона в 40 000 раз затрудняет поиск новых частиц с его магнитным моментом. Но Фан считает, что модернизированный прибор для улавливания электронов поможет команде преодолеть эту трудность. По его словам, повышение точности еще в 2 раза может привести их к царству неизведанной физики.
Область в целом вступает в эру точности, выходя за рамки простого сталкивания частиц друг с другом, чтобы увидеть, отбрасывают ли они новые субатомные биты, и применяя тщательные методы для исследования их свойств. «Старый способ заниматься физикой элементарных частиц заключался в том, чтобы разбивать вещи и смотреть, какие фрагменты выходят», — говорит Мюллер, — это все равно, что бить по часам молотком, чтобы увидеть, что внутри. В наши дни, по его словам, ученые также внимательно изучают то, как он тикает, и собирают оттуда информацию.
Северо-западная команда уже провела проверку концепции, которая показывает, как измерение магнитного момента электрона с помощью их прибора может помочь им в поиске темных фотонов, гипотетических частиц, которые взаимодействуют с темной материей так же, как обычные фотоны взаимодействуют с обычной материей. В будущем они планируют повторить этот эксперимент с позитроном — версией электрона из антивещества, чей магнитный момент не измерялся в течение последних 35 лет. Если это значение окажется отличным от значения электрона, это может быть дымящимся пистолетом в другой давней загадке физики: вопрос о том, как антиматерия практически исчезла после Большого взрыва, оставив нас в богатой материей Вселенной.
Команда довольна тем, насколько точно им удалось измерить магнитный момент электрона. «Мы в восторге от этого коэффициента 2», — говорит Габриэльс, имея в виду то, как новая бумага удвоила уровень точности своего предшественника. Но в следующий раз, по его мнению, они могут сделать намного лучше: «Мы собираемся использовать еще один коэффициент 10».
No comments:
Post a Comment