Физики семьдесят лет строили самую красивую теорию во Вселенной, а потом какая-то субатомная мелочь взяла и всё испортила. Мюон — частица, которую большинство людей и в микроскоп не видели, и слова такого не слышали — внезапно оказался главным скандалистом современной науки. И знаете что? Это лучшее, что могло случиться с физикой за последние десятилетия.
Давайте начистоту: Стандартная модель элементарных частиц — это не просто какая-то там гипотеза. Это священная корова теоретической физики, венец научного творения, математический собор, строившийся поколениями гениев от Дирака до Хиггса. Эта штука предсказывает поведение частиц с точностью до одиннадцатого знака после запятой. Одиннадцатого! Попробуйте предсказать хоть что-нибудь в своей жизни с такой точностью — хотя бы время прибытия курьера или исход футбольного матча.
И вот эта безупречная теория, этот триумф человеческого разума, этот памятник научному методу вдруг оказался... неполным. Не то чтобы неправильным — просто недостаточным. Как будто вы всю жизнь думали, что живёте в уютной трёхкомнатной квартире, знали каждый её угол наизусть, а потом обнаружили за старым платяным шкафом потайную дверь, ведущую в неизведанные комнаты, о существовании которых даже не подозревали.
Виновник торжества — аномальный магнитный дипольный момент мюона, или, как его ласково называют физики, g-2 (читается «джи минус два»). Звучит как название какого-то бюрократического документа или засекреченного военного проекта, а на деле — это величина, которая может перевернуть всё наше понимание Вселенной. Ни больше ни меньше. И если вам кажется, что это преувеличение, — потерпите немного, скоро всё станет ясно.
Танец частицы в магнитном поле
Так что же такое этот загадочный магнитный момент? Представьте себе, что каждая заряженная частица — это крошечный магнитик, миниатюрный компас размером в квинтиллион раз меньше булавочной головки. Он вращается вокруг своей оси, как волчок, и это вращение создаёт собственное магнитное поле. Казалось бы, ничего сложного — школьная физика, седьмой класс, параграф про электромагнетизм, да и только.
Но квантовая механика, эта капризная и своенравная дама, вечно усложняет простые вещи. Согласно уравнению Дирака — жемчужине теоретической физики двадцатого века — магнитный момент электрона или мюона должен быть равен определённой величине, которую обозначают буквой g. Для идеальной точечной частицы в идеальном пустом пространстве g должно равняться ровно двум. Аккуратно, красиво, математически элегантно. Природа, казалось бы, любит простые числа.
Однако реальность, как всегда, оказалась грубее и сложнее любой теории. Измерения упорно показывают, что g немного отличается от двойки. Эта разница — то самое «минус два» в названии эксперимента — и есть аномалия. Звучит зловеще, не правда ли? И вот тут начинается самое интересное, потому что эта маленькая аномалия открывает окно в совершенно невообразимый мир.
Откуда берётся эта аномалия? Из квантового хаоса, который творится вокруг каждой частицы. Вакуум, видите ли, вовсе не пустота в привычном понимании. Забудьте школьные картинки с белым ничем между атомами. Квантовый вакуум — это кипящий, бурлящий суп из виртуальных частиц, которые постоянно возникают из ничего и тут же исчезают обратно в ничто. Как будто сама реальность страдает хронической икотой на субатомном уровне, непрерывно порождая и поглощая материю в бешеном танце созидания и разрушения.
Эти виртуальные частицы — электроны, позитроны, кварки, глюоны, W- и Z-бозоны, даже бозон Хиггса — все они на мгновение появляются рядом с нашим одиноким мюоном и слегка подталкивают его магнитный момент. Каждый такой «призрак» вносит свой микроскопический, почти неуловимый вклад в аномалию. Стандартная модель умеет считать все эти вклады с феноменальной, почти сверхъестественной точностью. И вот незадача: сумма не сходится. Словно бухгалтер проверил все статьи расходов, а в конце месяца обнаружил необъяснимую дыру в бюджете.
Измеренное значение g-2 мюона упорно отличается от теоретического предсказания. Разница крошечная — всего несколько миллионных долей. Но в мире субатомной физики, где точность измерений доведена до немыслимого совершенства, это всё равно что найти слона в посудной лавке. Или, если хотите более научную метафору, это как обнаружить, что гравитационная постоянная на самом деле не постоянна.
Фермилаб против Вселенной
История эксперимента Muon g-2 в Фермилабе — это эпопея, достойная отдельного сериала от Netflix или HBO. Представьте: гигантское сверхпроводящее кольцо весом в шестьсот тонн и диаметром пятнадцать метров — размером с небольшой стадион — перевезли за пять тысяч километров из Брукхейвенской национальной лаборатории на Лонг-Айленде в Иллинойс. Везли по морю вокруг Флориды, потом по рекам Миссисипи и Иллинойс, а последний участок — по суше, ночами, потому что конструкция не помещалась под мостами и линиями электропередач. Три тысячи людей выходили посмотреть на это зрелище, полиция перекрывала дороги. И всё это — зачем? Чтобы измерить величину, отличающуюся от теоретической на 0,00000025. Если это не безумие во имя науки, то я не знаю, что это.
Физики — люди упёртые, с этим не поспоришь. Когда предыдущие эксперименты в Брукхейвене показали намёк на расхождение ещё в начале двухтысячных, научное сообщество не поверило. «Систематическая ошибка», говорили скептики, поглаживая бороды. «Недостаточная статистика», ворчали критики на конференциях. «Подождём подтверждения», советовали осторожные. И вот Фермилаб взялся за дело с размахом, достойным американской науки.
Принцип эксперимента элегантен в своей жестокости. Мюоны разгоняют почти до скорости света — до 99,94% от неё, если быть точным — и запускают в кольцевой накопитель. Там, в мощном однородном магнитном поле, они начинают прецессировать — их магнитный момент вращается подобно оси волчка, который начинает качаться перед тем, как упасть. Частота этого вращения напрямую зависит от величины g-2, и измерить её можно с невероятной точностью.
Загвоздка в том, что мюоны живут всего две микросекунды. Две миллионные доли секунды — и частица распадается на электрон и пару нейтрино. За это время нужно успеть сделать достаточно измерений, чтобы статистика была убедительной. Поэтому учёные накопили данные от миллиардов — да, миллиардов! — мюонов, статистически обработали их с помощью суперкомпьютеров и получили результат с беспрецедентной точностью, которая снится другим экспериментам в сладких снах.
В апреле 2021 года научный мир замер в ожидании пресс-конференции. Результат: расхождение с теорией на уровне 4,2 сигма. Для непосвящённых поясню: в физике элементарных частиц пять сигм считаются порогом открытия — вероятность случайности примерно один к трём миллионам. Четыре сигма — это сильнейшее указание на то, что что-то происходит, вероятность случайной флуктуации — примерно один к сорока тысячам. Не открытие, но очень горячий след.
Разумеется, тут же началась битва интерпретаций. Теоретики бросились перепроверять свои расчёты, хвататься за головы и строчить статьи. Оказалось, что некоторые вклады в предсказание Стандартной модели — особенно от адронных поправок, связанных с кварками и глюонами — вычислены не так надёжно, как хотелось бы. Несколько групп получили разные результаты разными методами, используя решёточную квантовую хромодинамику и экспериментальные данные. Научная драма в чистом виде — с интригами, союзами и предательствами на семинарах.
Невидимый зоопарк квантовых призраков
Чтобы понять, почему расхождение g-2 так взбудоражило физиков по всему миру, нужно осознать одну фундаментальную вещь: виртуальные частицы — это не метафора и не фигура речи. Это буквальное описание реальности, какой бы безумной она ни казалась человеческому здравому смыслу.
Квантовая теория поля — наша лучшая теория о том, как устроен мир на самом глубоком уровне — утверждает, что пустое пространство — это арена непрерывного творения и уничтожения. Каждую секунду, в каждой точке Вселенной, из абсолютного ничего рождаются пары частица-античастица, существуют ничтожную долю мгновения — настолько малую, что её невозможно измерить напрямую — и аннигилируют обратно в ничто. Это не нарушает закон сохранения энергии благодаря принципу неопределённости Гейзенберга: если время существования достаточно мало, можно временно «занять» энергию у вакуума, словно взять беспроцентный кредит у Вселенной.
Когда мюон летит сквозь это квантовое безумие, виртуальные частицы влияют на его свойства. Представьте, что вы идёте по оживлённой улице в час пик, а из каждого переулка, из каждой подворотни выскакивают невидимые прохожие, толкают вас в плечо и тут же растворяются в воздухе. Вроде бы каждый отдельный толчок незначителен, едва ощутим, но если их достаточно много — а их очень много — ваша траектория заметно изменится. Вы придёте в пункт назначения чуть позже или чуть раньше, чуть левее или правее, чем планировали.
Стандартная модель знает все «виды» виртуальных частиц, которые могут толкнуть мюон: фотоны, электрон-позитронные пары, кварк-антикварковые пары, тяжёлые слабые бозоны. Для каждого вида существует способ вычислить вклад в аномальный магнитный момент с помощью диаграмм Фейнмана — тех самых загадочных рисунков со стрелками и волнистыми линиями, которые украшают футболки физиков. Сложить всё вместе, просуммировать бесконечные ряды — и получить теоретическое предсказание.
Но что если существуют частицы, о которых Стандартная модель не знает? Что если в квантовом вакууме рождаются и умирают неизвестные сущности, не входящие в наш каталог элементарных частиц? Их виртуальные версии тоже будут толкать мюон, добавляя свой вклад в g-2. И именно этот «лишний», необъяснимый вклад мы, возможно, наблюдаем в экспериментах Фермилаба.
Вот почему эксперимент Muon g-2 — это, по сути, детектор невидимого, окно в неизведанное. Мы не можем напрямую увидеть или создать новые частицы, если они слишком тяжёлые для производства на наших ускорителях — даже на Большом адронном коллайдере. Но их виртуальные тени всё равно оставляют неизгладимый след в свойствах мюона. Это как искать слона в тёмной комнате, ощупывая стены: слона не видно, но по вмятинам на обоях можно догадаться о его присутствии.
Подозреваемые: кто прячется за кулисами реальности
Итак, если аномалия реальна — а с каждым годом это становится всё более вероятным — то какие новые частицы могут за ней стоять? Теоретики, конечно, не растерялись и за полвека наплодили целый зоопарк кандидатов. Рассмотрим главных подозреваемых.
Первый и самый популярный вариант — суперсимметрия, или СУСИ, как её фамильярно называют в научных кругах. Эта красивейшая теория предполагает, что у каждой известной частицы есть тяжёлый «суперпартнёр» с другим спином. У электрона — селектрон, у кварка — скварк, у фотона — фотино, у глюона — глюино. Звучит как бред сумасшедшего или детская считалка, но математически всё выглядит до неприличия красиво и элегантно. Суперсимметричные частицы прекрасно объясняют аномалию g-2 и заодно могут составлять загадочную тёмную материю, которая держит галактики от разваливания.
Проблема в том, что Большой адронный коллайдер, на который возлагались огромные надежды, должен был найти хоть какие-то следы суперсимметрии ещё в прошлом десятилетии, но так и не нашёл. Это не убивает теорию окончательно — суперпартнёры могут быть слишком тяжёлыми даже для БАК — но заставляет её сторонников нервно почёсываться и изобретать всё более изощрённые объяснения.
Второй претендент — тёмный фотон, экзотическая частица из параллельной физики. Идея в том, что существует «скрытый» сектор частиц, целый параллельный мир, взаимодействующий с обычной материей только через очень слабую связь. Тёмный фотон был бы переносчиком силы в этом скрытом секторе, но мог бы иногда «просачиваться» в наш мир через квантовое смешивание с обычным фотоном. Его вклад в g-2 мог бы объяснить наблюдаемую аномалию.
Третий вариант — лептокварки, экзотические гибридные частицы, которые могут превращать кварки в лептоны и обратно, нарушая привычное деление материи на два лагеря. Они предсказываются некоторыми теориями великого объединения, которые пытаются свести все силы природы к одной, и могли бы оставлять характерный след в аномальном магнитном моменте.
Есть и более радикальные, экзотические предложения: дополнительные измерения пространства, свёрнутые в крошечные калабияу-образные многообразия; составная природа фундаментальных частиц, которые на самом деле состоят из ещё более мелких «преонов»; модифицированная гравитация на квантовом уровне. Каждая гипотеза имеет своих страстных сторонников и непримиримых критиков, каждая делает проверяемые предсказания, и каждая может оказаться очередным тупиком на пути к истине.
Самое ироничное во всей этой истории: физики мечтают найти что-то за пределами Стандартной модели уже полвека. Они строили всё более мощные и дорогие коллайдеры, изобретали всё более изощрённые эксперименты, тратили миллиарды долларов и евро — и ничего. Стандартная модель оказалась неприлично точной, раздражающе полной, оскорбительно непробиваемой. Она предсказывала всё, что удавалось измерить, с издевательской точностью. И вот, наконец, появилась крошечная щель в её броне. Причём нашёл её не гигантский коллайдер стоимостью в десятки миллиардов, а относительно скромный эксперимент с кольцевым магнитом и короткоживущими частицами.
Конец уверенности или начало нового понимания
Что всё это значит для нас, простых смертных, которые и мюон-то в глаза не видели и не увидят никогда? На первый взгляд — ничего практического, абсолютно никакой пользы для повседневной жизни. Какая разница, равен g-2 одному значению или чуть-чуть другому? Ваш смартфон от этого быстрее работать не станет, ипотечная ставка не снизится, климат не исправится.
Но в этом и есть парадоксальная красота фундаментальной науки: она меняет не технологии — по крайней мере, не сразу — а саму картину мира, наше место во Вселенной, наше понимание того, из чего мы сделаны и почему всё устроено именно так, а не иначе. Если аномалия g-2 подтвердится — а новые результаты ожидаются в ближайшие годы — и получит объяснение в виде реальных новых частиц, это будет первое экспериментальное свидетельство физики за пределами Стандартной модели за последние полвека. Полвека застоя и разочарований, полвека подтверждения уже известного — и вдруг окно в неизведанное распахивается настежь.
Новая физика может оказаться ключом к величайшим загадкам современности, которые не дают спать астрофизикам и космологам. Что такое тёмная материя, составляющая четверть всей Вселенной, но не взаимодействующая со светом? Почему во Вселенной осталась материя, а не аннигилировала с антиматерией в первые мгновения после Большого взрыва? Как объединить квантовую механику и общую теорию относительности в единую теорию квантовой гравитации? Ответы на эти вопросы, мучающие физиков десятилетиями, могут скрываться именно там, куда указывает аномалия мюона.
Скептики, конечно, предупреждают: не стоит раньше времени открывать шампанское и вручать Нобелевские премии. Теоретические расчёты адронных вкладов всё ещё уточняются, и некоторые группы, используя новейшие методы решёточной квантовой хромодинамики, получают результаты, согласующиеся с экспериментом без привлечения какой бы то ни было новой физики. Научный процесс медленный и осторожный по своей природе. Потребуются годы, возможно, десятилетия, чтобы разобраться во всех тонкостях и дать окончательный ответ.
Но даже если аномалия в конце концов окажется статистической флуктуацией, ошибкой в расчётах или неучтённым систематическим эффектом — сам факт, что мы способны измерять свойства частиц с такой фантастической точностью, вызывает восхищение и трепет. Человечество научилось ловить тени от теней, видеть невидимое, слышать шёпот квантового вакуума. Это ли не чудо, созданное не богами, а обезьянами с калькуляторами?
Мюон — эта нестабильная, короткоживущая, никому толком не нужная частица, промежуточный продукт космических ливней — внезапно оказался посланником из-за границ известной физики. Кто бы мог подумать, что революцию в науке начнёт не какое-нибудь грандиозное открытие вроде гравитационных волн или чёрных дыр, а крошечное расхождение в одиннадцатом знаке после запятой? Вселенная, как всегда, обладает изощрённым чувством юмора и любит посмеяться над человеческой самоуверенностью.
Следите за новостями из Фермилаба и с других физических фронтов. Там, в подземных лабораториях среди бизонов и кукурузных полей Иллинойса, решается фундаментальный вопрос о том, полон ли наш каталог реальности — или же мы всё ещё живём в провинциальном углу космоса, не подозревая о существовании целых континентов неоткрытых явлений. И лично я болею за второй вариант. Потому что скучная, полностью понятная, до конца исследованная Вселенная — это последнее, чего заслуживает человеческое любопытство. Нам нужны тайны. Нам нужны загадки. Нам нужны аномалии. И мюон, похоже, готов их предоставить.