Международная группа физиков под руководством ученых из Университета штата Пенсильвания опубликовала в журнале Nature результаты исследования, которые ставят под сомнение необходимость поиска пятой силы природы для объяснения поведения мюона. Многолетнее расхождение между теоретическими предсказаниями и экспериментальными данными, которое многие ученые считали признаком существования неизвестных частиц, оказалось следствием неточностей в прежних математических моделях.
Мюон представляет собой элементарную частицу, которая напоминает электрон, но превосходит его по массе примерно в 200 раз. На протяжении более чем шестидесяти лет измерения магнитного момента мюона не совпадали с прогнозами Стандартной модели – общепринятой теории, описывающей фундаментальные частицы и взаимодействия в нашей Вселенной. Эта аномалия давала повод предполагать наличие скрытых факторов, не вписывающихся в современные представления о физике.
Новый расчет, признанный одним из самых точных в истории физики элементарных частиц, показал, что теоретическое значение магнитного момента совпадает с результатами экспериментов. Ученые использовали метод решетчатой квантовой хромодинамики, позволивший смоделировать сильное взаимодействие на сверхмощных компьютерах. Основная сложность заключалась именно в учете сильного взаимодействия, которое связывает кварки внутри протонов и нейтронов. В отличие от гравитации или электромагнетизма, эта сила возрастает при попытке раздвинуть частицы, что делает математическое описание процессов крайне трудоемким.
Для решения задачи исследователи разделили пространство-время на сверхмелкую сетку, или решетку, и решили уравнения Стандартной модели для каждого узла. Десять лет работы и использование гибридного подхода, сочетающего компьютерное моделирование на малых расстояниях с проверенными экспериментальными данными на больших, позволили довести точность расчетов до одиннадцати знаков после запятой. Итоговый результат практически полностью совпал с данными, полученными на ускорителях в ЦЕРН, Брукхейвенской национальной лаборатории и Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми.
Авторы работы отмечают, что хотя отсутствие «новой физики» в данном конкретном случае может вызвать определенное разочарование, полученные результаты служат наиболее убедительным доказательством надежности квантовой теории поля. Стандартная модель вновь подтвердила свою устойчивость к проверкам, объединяя электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия в единую систему с погрешностью, не превышающей нескольких частей на миллиард. Несмотря на то что исследование не исключает существования неизвестных частиц в других процессах, один из самых громких аргументов в пользу пятой силы природы утратил свою силу.
