Научные открытия бывают разными – неожиданное открытие радиоактивности или долгие поиски предсказанного бозона Хиггса. Но некоторые открытия получаются смешанными, когда некоторые намёки в данных указывают на будущие измерения, которые могут длиться годами. Сейчас как раз происходит научное исследование последнего типа, которое может вызвать большой резонанс в физике.
В феврале 2018 коллаборация из 190 учёных, работающих в Национальной ускорительной лаборатории Ферми в Иллинойсе начала использовать кольцевой массив магнитов диаметром 15 м чтобы провести одно из самых точных измерений за всю историю. В этом исследовании, названном "эксперимент джи минус 2" (g-2) учёные измерят аномальный магнитный момент редкой субатомной частицы, мюона, тяжёлого родственника электрона. Мюон в покое может существовать порядка 2,2 миллионных доли секунды.
Измерение магнитного момента, то есть, силы магнита, создаваемого мюоном, было проведено с погрешностью 10-12. Это всё равно, что измерить расстояние от Земли до Солнца с погрешностью в миллиметр. На сегодня расчётная и измеренная величины не совпадают, и это различие может стать первым намёком на физику за пределами Стандартной модели — текущей теории, описывающей субатомный мир.
Это было бы громким открытием, поскольку физики с удовольствием проделали бы дыру в превалирующей теории. Она привела бы к новой, улучшенной научной модели, лучше текущей справляющейся со своей задачей. А учитывая, что текущая теория довольно успешна, это действительно продвинуло бы наши знания вперёд.
Оказавшись в магнитном поле, мюоны начинают прецессировать, то есть, определённым образом колебаться. В магнитном поле мы можем измерить частоту прецессии. В это измерение входят заряд частицы и фактор g, используемый для проведения различий между определёнными вариантами теорий. В классической теории g = 1, а в нерелятивистской квантовой теории g = 2.
Измерения фактора g для электронов, начавшиеся вскоре после Второй Мировой войны, продемонстрировали небольшое отличие от теоретического значения, равного 2, и дали экспериментальный результат в 2,00232. Это отличие происходит из-за эффектов, описываемых теорией квантовой электродинамики, КЭД. Сконцентрировавшись на разнице между теорией и экспериментом, 0,00232, исследователи как бы вычли из результата двойку, почему эксперимент и был назван (g-2).
В квантовой электродинамике среди прочего мы изучаем существование виртуальных частиц, или того, что иногда называют квантовой пеной. Виртуальные частицы – это бульон из частиц материи и антиматерии, возникающих из небытия на малые доли секунды, и затем снова исчезающие, будто их и не было. Они появляются повсеместно, но оказываются особенно важными, когда появляются рядом с субатомными частицами.
С 1997 по 2001 года исследователи из Национальной лаборатории Брукхэвен измерили g-фактор мюона с точностью до 12 значимых цифр и сравнили этот результат с теоретическими подсчетами той же точности. Результаты не совпали. Чтобы понять важность этого расхождения, необходимо понять их погрешность. К примеру, если бы вы захотели узнать, кто из двух людей выше, и погрешность ваших измерений составит полметра, то вряд ли вы придёте к какому-либо убедительному заключению.
Разница между измеренным и расчётным результатами, делённая на комбинированную погрешность (то, что учёные называют сигмой), равняется 3,5. В физике частиц сигма, равная 3,0, считается убедительным доказательством, но для истинного открытия требуется значение 5,0.
Обычно следовало бы ожидать, что экспериментаторы в Брукхэвене улучшили бы свою установку и собрали бы больше данных, но на пути лаборатории встали непреодолимые препятствия. Поэтому исследователи решили перенести кольцо g-2 в Фермилаб, где есть ускоритель, способный выдать больше мюонов. Оборудование перевезли на 5000 км на барже по Восточному побережью и вверх по реке Миссисипи. В июле 2013 года оно прибыло в Фермилаб.
За прошедшие годы кольцо было полностью обновлено, были установлены улучшенные детекторы и электроника. У новой установки появились потрясающие возможности. Кстати, у жителей соседних районов есть легенда, что в лаборатории хранятся останки упавшей летающей тарелки. Дескать, как-то под покровом ночи из лаборатории выехал грузовик, сопровождаемый полицией, на котором под брезентом находился 15-метровый диск.
Коллаборация Фермилаб g-2 начала свою работу. Установка будет запущена и начнётся запись данных, которая продлится до начала июля.
Какой результат могут получить учёные? Если всё пройдёт, как ожидается, и значение g, измеренное в Фермилаб, окажется тем же, что померили в Брукхэвене, то у записанных в Фермилаб данных расхождение составит 5 сигм. А это будет означать открытие.
С другой стороны, результат Фермилаб может оказаться не таким, как в Брукхэвене. Новое измерение может совпасть с расчётами, и тогда никаких различий не будет.
Но что, если g-2 сделает открытие? Каков будет вероятный результат? Как я упоминал ранее, аномальный магнитный момент мюона очень чувствителен к существованию поблизости виртуальных частиц. Эти частицы немного изменяют магнитный момент мюона. Более того, сверхточное совпадение измерений и расчётов не было бы возможным, если бы виртуальных частиц не существовало.
Однако, что довольно очевидно, при расчётах использовались только известные виртуальные частицы. Одним из возможных объяснений наблюдаемого расхождения может быть существование в квантовой пене дополнительных, пока неизвестных субатомных частиц.
Стоит заметить, что открытия в области субатомных частиц десятилетиями находились в ведении ускорителей частиц высоких энергий. Знаменитое уравнение Эйнштейна E = mc2 описывает тождество массы и энергии. Поэтому, чтобы открыть тяжёлые частицы, требуется много энергии. На сегодня наиболее мощным ускорителем является Большой адронный коллайдер в ЦЕРН.
Однако, метод грубой силы для изготовления частиц – не единственный способ изучать область высоких энергий. Принцип неопределённости Гейзенберга говорит, что произойти могут даже энергетически «невозможные» события, если время их существования достаточно мало. Поэтому, возможно, что виртуальная частица, обычно не существующая, может появиться из небытия на время, достаточно долгое для того, чтобы повлиять на магнитный момент мюона. В таком случае очень точное измерение смогло бы выявить существование этой частицы. Это как раз тот случай, когда скальпель лучше кувалды, и, возможно, в этом деле эксперимент g-2 в Фермилаб сможет обскакать БАК.
Но стоит отметить, что история науки полна случаев, когда расхождения в 3 сигмы исчезали после сбора дополнительных данных. Поэтому не советую делать ставки на результат этого измерения. Расхождения могут оказаться статистической флуктуацией. Однако измеренное значение g-2 в Брукхэвене всё же может стать первым признаком открытия, меняющего парадигму. Записанные этой весной данные будут проанализированы осенью и результаты могут появиться уже в этом году. Результатов первый прогон эксперимента g-2 стоит ожидать с осторожным оптимизмом.
Комментарии (25)
akhalat
11.04.2018 21:33Посмотрите в оригинале как называется: «Why Measuring a Tiny, Spinning Particle Is Such a Big Deal», т.е. в заголовке говорится об измерении самой частицы, а не её «вращения». При этом частица названа «spinning», что обывательски можно понимать как «вращающаяся», но можно (и правильно): как «обладающая спином». Собственно, в английском языке «spin» дословно и означает «вращение», и различие между этим повcедневным значением и термином «спин» делается по контексту. Так что оригинальный заголовок идеален из-за двусмысленности слова spin, что конечно потерялось при переводе.
george_vernin
12.04.2018 03:34-1Так конечно точнее.
Почему измерение такой маленькой частицы, имеет такой большой смысл…
Со spinning не понятно что делать…
george_vernin
Как по мне — это не вращение а прецессия
george_vernin
Приятно видеть минусы без объяснений :)
Shkaff
Не минусовал, но предположу, что потому что прецессия — тоже вращение. Ну или за отсутствие объяснений с вашей стороны. Если кто-то не знает, о чем идет речь, ваш коммент выглядит как имеющей цель не пояснить, а показать, как вы хорошо владеете предметом.
george_vernin
«Преце?ссия — явление, при котором момент импульса тела меняет своё направление в пространстве.»
". Следует, однако, понимать, что ось вращения – не то же самое, что направление момента импульса; хотя момент импульса тела имеет свойство сохраняться (в отсутствие внешних воздействий)"
Элементарные частицы не вращаются.
Можно принять спин за вращение — но это большая натяжка для удобства визуализации
Shkaff
Ну конечно, речь идет о прецессии спина. Но это вполне себе "вращение" направления спина вокруг некоей оси. Как у вас же на картинке ниже иллюстрируется.
george_vernin
Как спин может прецессировать?
Он имеет вполне четкие значения — целые и полуцелые
Shkaff
Ну все правильно, значение (длина) может быть определенная, а направление — любое. Там ларморовская прецессия, магнитный момент, порожденный спином, все дела.
george_vernin
Ну так а какое отношение ларморовская прецессия или частота имеет к «Почему так важно точно измерить вращение крохотной частицы»?
Давайте представим что прецессия это вращение, а частицы на самом деле не частицы а шарики, а силы это резинки?
То что прецессия в механике была связана с вращением (а не есть вращение) -зачем переносить аналогии не имеющие физического смысла?
Анекдот прямо напомнило.
Лектор популярно объясняет, что такое беспроволочный телеграф: “Сначала представим себе проволочный телеграф. Вообразите себе кошку длиной в
несколько тысяч километров. Когда вы прищемите ей хвост на одном конце, то на другом услышат мяуканье. Это проволочный телеграф. Теперь пред-
ставьте себе то же самое, но без кошки. Это и есть
беспроволочный телеграф”
Shkaff
Эм, прямое? У вас либо есть какое-то особенное определение слова "вращение", либо я не знаю. Вращение — не обязательно вращение тела вокруг оси и уж тем более спин, это может быть и поворот вектора на какой-нибудь угол. Или вот как прецессия спина — вращение направления спина.
george_vernin
Думаю как раз за словом «вращение» можно в словарь —
«Враща?тельное движе?ние — вид механического движения. При вращательном движении материальная точка описывает окружность. При вращательном движении абсолютно твёрдого тела все его точки описывают окружности, расположенные в параллельных плоскостях. Центры всех окружностей лежат при этом на одной прямой, перпендикулярной к плоскостям окружностей и называемой осью вращения. Ось вращения может располагаться внутри тела и за его пределами. Ось вращения в данной системе отсчёта может быть как подвижной, так и неподвижной. Например, в системе отсчёта, связанной с Землёй, ось вращения ротора генератора на электростанции неподвижна.»
Вот к вращению твердого тела можно обратить внимание на вот это!
«При вращательном движении абсолютно твёрдого тела все его точки описывают окружности, расположенные в параллельных плоскостях.»
И сравнить с прецессией
Shkaff
Так, еще раз, никто не говорил о "вращательном движении твердого тела". Слово "вращение" имеет много разных значений.. Например, вращение вектора.
george_vernin
Так кто же спорит?
Вопрос в том каждый из них имеет устойчивое употребление в своей предметной области и описывает какое либо явление.
Иногда и не связнное с вращением
Как только найдете устойчиваое употребление в обсуждаемом вопросе —
«измерение вращения мюона»,
«как вращается мюон»,
«вращение элементарных частиц»
Обязательно присылайте ссылки
Shkaff
Чувствую себя ужасным занудой, но поскольку идет речь о g-2 экспериментах, т.е. измерении прецессии магнитного момента, то в данном контексте названия ("почему важно измерить вращение") вращение==прецессия. Никто же не измеряет собственно спин или магнитный момент.
nickName0
Прецессия в механике — это, например,
вращение оси вращения волчка.
В случае электрона — имеем квантовое число (полуцелое), которое,
при объяснении «на пальцах», можно представить как направление вращения частицы.
Но — это лишь наиболее близкая аналогия из ньютоновской механики
(для макроскопических тел, где смело можно игнорировать все те неопределённости, что есть в микромире).
Если кратко (то-же самое), то направление вращения — это лишь аналогия.
george_vernin
Вам не кажется что вы путаете в одном сообщении прецессию,
Потом сразу переходите к спину — Который никак не может быть представлен как направление вращения частицы…
Речь идет о прецесси магнитного момента.
И о точного измерении именного самого магнтитного момента
nickName0
В одном сообщении говорится как о прецессии (что это такое),
так и о спине (что лишь в грубой форме можно представить как направление вращения).
Просто нет в макроскопической механике того, что было-бы понятной аналогией спина
(в квантовой механике, когда речь — о микрочастицах).
Если говорить точно, то в макроскопической (ньютоновской) механике просто нет аналога спинового квантового числа.
Если речь об исходной статье, то да, там речь именно о необычно точном измерении
магнитного момента.
george_vernin
Естественно нет аналога. Поэтому и бессмысленно и вредно представлять на таких аналогиях. Будут возникать ассоциации и выводы не соответствующие действительности
SomaTayron
Строго говоря, в статье о точности вообще говорить сомнительно
«10^-12. Это всё равно, что измерить расстояние от Земли до Солнца с погрешностью в миллиметр». Расстояние 149,6 млн км, то есть грубо 1,5е11 метра, и абсолютная погрешность получается 150 мм, а не «порядка миллиметра» (хотя допускаю, что пропущено "%" или промилле). Так что тут скорее речь о концепции
Victor_koly
Во первых, магнитный момент элементарной частицы находится на одной оси с её спином. Во вторых, спин можно измерить путем независимого измерения 2 величин:
1. Модуля вектора — для элементарной частицы он постоянен.
2. Проекции на определенную ось. В случае с измерением магнитного момента — это ось магнитного поля. Тоже может характеризоваться собственным числом оператора S^2 равным S(S+1).
Желающие могут пробовать создать дельта-резонанс или заряженный сигма-гиперон (спин выше 1/2, я не ошибаюсь?) в магнитном поле и измерить энергию путем МРТ.
george_vernin
Добавлю вот такую картинку
Victor_koly
А мюон с электроном (как и электорон с позитроном) должны быть параллельны друг другу или мы просто не можем узнать точное направление спинов? Хотя в принципе при определнных (может невероятных) условиях «распада мюония путем т.н. аннигиляции» мы можем точно сказать, что спины были параллельны, так как суммарный спин был ровно 0 или ровно 1. Или это опять будет в проекции на вектор орбитального момента системы L?
george_vernin
Так как электрон и мюон являются фермионами имеющими спин s = 1/2 их суммарное значение спина
vecb_F = vec_s1 + vec_s2 может принимать значение vecb_F = 0,vec_1, т.е. спины фермионов могут быть либо антипараллельны, либо параллельны
Остальное наверное лучше посмотреть в этой статье — из чего складывается магнитный момент ядра
Victor_koly
А с частицай со спином 3/2 (дельта-резонансы, sigma-1385 и т.д.) может иметь проекцию как 1/2, так и 3/2 (по модулю). Если выйдет загнать в очень точный так сказать "магнитный томограф", то в сильном магнитном поле будут уровни энергии, как при обычном расщеплении уровней энергии электрона. Правда он на то и резонанс, ширина естесвенная у него 36 МэВ, значит разница энергий этих 4 состояний (2*3/2+1 = 4) будет куда меньше. Или же создать мощным лазеров в нано-/пико-/фемтосекундном импульсе магнитное поле много Тл, правда как потом производить радиоволну частотой единиц mu*B/h в коротком импульсе?
Там наверное придется измерять энергию частиц только по продуктам распада.