Мюон часто называют тяжелым родственником электрона. Это частица с отрицательным зарядом, которая, по всей видимости, также не состоит из более мелких частей. Мюоны появляются на Земле естественным способом из космических лучей (частицы и ядра атомов, летящие с огромной скоростью через космическое пространство). Кроме того, мюоны создают в лабораториях для физических исследований.
Эта частица попала в заголовки газет весной 2021 года, когда продемонстрировала странное поведение: мюон слишком сильно колеблется в магнитном поле. Полученные наблюдения не вписывались в предсказания Стандартной модели.
Стандартная модель — это базовая система представлений о физике элементарных частиц, самом фундаментальном устройстве нашей Вселенной. Она довольно хорошо объясняет этот мир, однако за время ее существования и с увеличением количества новых открытий, становится понятно, что в Стандартной модели немало «дыр». Сегодня много ученых работают на усовершенствованием Стандартной модели, коррекцией ее формул и концепций. Это поиски так называемой «новой физики», а ключи к ней появляются, когда теоретические предсказания в русле Стандартной модели не соответствуют наблюдениям.
Так было и с мюоном. Странное поведение мюона в магнитном поле может сигнализировать о существовании неких частиц, о которых современная наука пока не знает и никак их зафиксировать не может. Это самый передний край, терра инкогнита нынешнего научного познания.
Мюон также вызвал вопросы, когда его использовали для измерения радиуса протона, что привело к получению значения, сильно отличающегося от предыдущих измерений, и того, что стало известно как «загадка радиуса протона».
У каждого мюона есть своя античастица — положительно заряженный мюон. Он может ненадолго притягивать к себе электрон, превращаясь в ядро — так получается экзотический атом, который называется мюоний. Он существует всего 2,2 микросекунды, а потом распадается. Однако это по квантовым меркам довольно много, что делает мюоний хорошим «модельным организмом».
Будучи атомом с ядром и одним «вращающимся» вокруг него электроном, мюоний очень похож на водород, но гораздо проще и легче. В то время как протон водорода состоит из кварков, положительный мюон мюония не имеет субструктуры.
«С мюонием, поскольку мы можем так точно измерить его свойства, мы можем попытаться обнаружить любое отклонение от Стандартной модели. И если это увидим, сможем затем сделать вывод, какие из теорий, выходящих за рамки Стандартной модели, жизнеспособны», — объясняет Паоло Кривелли из Высшей технической школы Цюриха (Швейцария), возглавляющий исследование.
Чтобы сделать мюоний, ученые используют самый интенсивный непрерывный пучок мюонов низкой энергии в мире, который можно получить только в Институте Пауля Шеррера PSI (Швейцария).
Свойство мюония, которое исследователи на этот раз смогли изучить подробно, — это его энергетические уровни. Если говорить просто, энергетический уровень — это условная «орбита», на которой «вращается», колеблется электрон вокруг ядра. Если электрон как бы «перескакивает» с орбиты на орбиту, значит меняется энергетический уровень.
В недавней публикации ученым удалось впервые измерить переход между определенными энергетическими уровнями в мюонии. Это облегчит другие точные измерения: в частности, лэмбовский сдвиг (когда то, что наблюдается после «перескоков» между энергетическими уровнями не согласуется с предсказаниями Стандартной модели). Сверхточное измерение такого сдвига поможет проверить новую концепцию, расширяющую Стандартную модель.
Еще мюон в девять раз легче протона. Это означает, что эффекты, связанные с ядерной массой, например, то, как частица отскакивает после поглощения фотона света, усиливаются. Что, в свою очередь, позволит ученым проверить некоторые теории, предполагающие существование новых частиц, таких как скалярные или векторные калибровочные бозоны.
Сейчас авторы исследования поставили себе амбициозную задачу определить точную массу мюона. Это даст возможность решить загадку радиуса протона.
«Благодаря мюонным пучкам высокой интенсивности, которые мы получаем, мы потенциально можем улучшить точность массы в сто раз, и это было бы очень интересно для Стандартной модели», — говорит Томас Прокша, глава группы низкоэнергетических мюонов в PSI.
Исследование опубликовано в Nature Communications, о нем рассказали в Институте Пауля Шеррера PSI.