Загадка мюона: физики разрешили одну тайну — открыли новую
Четверть века физики бились над крошечным, но упрямым несоответствием: их теоретические предсказания того, как заряженная частица мюон должна «покачиваться» в магнитном поле, расходились с экспериментальными данными примерно на одну миллионную долю — расхождение достаточно электризующее, чтобы намекать на существование пока неизвестных частиц.
Как сообщает Quanta Magazine, в 2021 году эта загадка, казалось, разрешилась сама собой: обновлённые теоретические расчёты внезапно совпали с экспериментом с точностью до одной стомиллиардной доли. Но именно это совпадение породило новую, куда более странную проблему — старые вычисления, основанные на реальных экспериментальных данных, тоже выглядели вполне корректными, и было совершенно неясно, почему они не сходятся с новыми.
Речь идёт о мюоне — тяжёлом «родственнике» электрона, который ведёт себя как крошечный магнит и, вращаясь в магнитном поле, слегка покачивается за счёт непрерывного излучения и поглощения виртуальных частиц — фотонов и других, ещё более короткоживущих. Именно эта добавочная величина покачивания, известная как g–2, служит своего рода индикатором того, сколько вообще частиц существует во Вселенной, — как пояснил изданию физик из Университетского колледжа Лондона Алекс Кешаварзи. Когда в 2001 году эксперимент в Брукхейвенской национальной лаборатории на Лонг-Айленде впервые зафиксировал значение g-фактора мюона выше ожидаемого, это вызвало волну энтузиазма: некоторые физики увидели в этом намёк на частицы, способные объяснить природу тёмной материи. Чтобы проверить результат, гигантское 50-футовое магнитное кольцо в 2013 году с помощью барж, судов и грузовиков перевезли из Нью-Йорка в Национальную ускорительную лабораторию Ферми в Иллинойсе, где в апреле 2021 года провели ещё более точный повторный замер.
Параллельно шла работа над теоретической стороной вопроса — и именно здесь возникла развилка. Один из подходов, так называемый «управляемый данными метод», который в своей докторской диссертации в 2018 году помогал развивать Кешаварзи, опирается на реальные столкновения электронов и позитронов: чем больше кварков рождается при таких аннигиляциях, тем сильнее, как считается, они влияют на покачивание мюона. Расчёт по этому методу, опубликованный в июне 2020 года, разошёлся с экспериментальными данными Фермилаб настолько сильно, что почти достиг порога, необходимого для официального заявления об открытии новых частиц. Но у конкурирующего, чисто теоретического подхода — так называемой решёточной квантовой хромодинамики (lattice QCD), при которой пространство разбивается на трёхмерную сетку наподобие той, что используют метеорологи для моделирования атмосферы, — получилась совсем другая картина. Международная группа BMW, объединяющая исследователей из Будапешта, Марселя и Вупперталя, потратила около десяти лет на разработку методов и ждала роста вычислительных мощностей, прежде чем в 2021 году, в тот же день, что и публикация результатов Фермилаб, представить в журнале Nature свой расчёт — и он показал, что мюоны Фермилаб покачивались именно так, как и предсказывала стандартная теория, без всяких новых частиц. С тех пор аналогичные результаты получили и другие независимые группы, работающие с решёточными вычислениями, и сегодня многие физики склоняются к выводу, что загадка мюона попросту закрыта.
Однако это не объясняет, почему «управляемый данными» метод по-прежнему даёт другой ответ — и здесь на сцену выходит сибирский коллайдер VEPP-2000 в Новосибирске, работающий на энергиях в шесть тысяч раз ниже, чем Большой адронный коллайдер под Женевой. После установки в 2010 году нового детектора физики заново, с повышенной точностью, измерили частоту рождения пионов — частиц, чьё количество как раз и используется для оценки влияния сильного взаимодействия на мюон, — и опубликовали результаты в 2023 году. Как рассказал изданию физик из Ливерпульского университета Федор Игнатов, входивший в состав команды, полученная частота заметно отличалась от прежних данных того же детектора, и этого никто не ожидал. Показательно, что новая сибирская частота согласуется как с современными решёточными расчётами, так и с предварительными данными второго детектора того же коллайдера, тогда как проведённый в 2023 году повторный анализ более раннего эксперимента на коллайдере BABAR в Калифорнии, напротив, соответствует старым значениям. По словам Кешаварзи, ни один результат в этой области не подвергался столь тщательной перепроверке, но пока никаких ошибок в новых сибирских измерениях найти не удалось.
В итоге физики оказались перед новой развилкой: либо расхождения между разными коллайдерными экспериментами указывают на присутствие неизвестных частиц, либо дело в неучтённых деталях методики, создающих ложное впечатление аномалии в поведении кварков. Как отметил Кешаварзи, за четыре десятилетия было проведено множество измерений разными командами разными способами, и все они рисуют разную картину, так что работы физикам сообщества предстоит ещё немало. Похоже, что за счёт решёточных вычислений одна из старейших загадок физики элементарных частиц действительно нашла разрешение, но на её месте тут же возникла новая, не менее фундаментальная проблема: чтобы разобраться, какая из двух конкурирующих частот рождения пионов — старая или новая — верна, потребуется ещё немало экспериментов на коллайдерах по всему миру, а до тех пор окончательный вердикт о существовании новых частиц, стоящих за поведением мюона, придётся отложить.
*Источник: Quanta Magazine (Мэтт фон Хиппель, 29 июля 2026 г.)*
