Новое измерение аномального магнитного момента мюона

Недавно были опубликованы результаты новых, более точных измерений аномального магнитного момента (am) мюона . (Напомним, что у частиц со спином 1/2, помимо нормального магнитного момента, непосредственно связанного со спином, есть аномальная часть, порождаемая различными квантово-полевыми поправками.) Относительную ошибку измерений am мюона удалось уменьшить более чем в три раза по сравнению с прежним результатом — она составила 1 ppm, т.е. одну миллионную долю от полного значения.

Полученные данные сразу же привлекли внимание специалистов по физике элементарных частиц, поскольку измеренное (при достигнутом уровне погрешности) значение am мюона несколько отклонялось от теоретически рассчитанного в рамках так называемой Стандартной модели (СМ). Это могло свидетельствовать о том, что мы имеем дело с проявлением новой физики, в частности указывать на существование гипотетических суперсимметричных частиц (подробно о суперсимметричных частицах см.: Казаков Д.И. Ждем новых открытий в физике элементарных частиц! // Природа. 1999. N9. С.14-25).

Измерения am мюона были выполнены в Брукхейвенской национальной лаборатории США (эксперимент E 821) международным коллективом, включающим физиков США, Германии, Японии и России. Использовались поляризованные положительные мюоны с энергией ~3 ГэВ, инжектированные в накопительное кольцо диаметром 14.2 м и с рабочим магнитным полем 1.45 Tл.

Магнитный момент мюона прецессирует относительно направления магнитного поля. Измеряя скорость прецессии магнитного момента, можно определить значение его аномальной части. Для этого регистрировался временной ход распада положительных мюонов, вращающихся в накопительном кольце, на позитроны. Направления вылета последних заметно коррелируют с направлением спина мюона в момент его распада и поэтому несут информацию о мгновенном положении его магнитного момента. Благодаря этому появляется информация и о прецессии момента. На практике временной ход распада представляется осциллирующей кривой; сведения о значении am мюона извлекаются из величины периода осцилляции.

Подобного типа измерения в эксперименте E 821 производились и ранее, но на этот раз они были выполнены с гораздо более богатой статистикой (число событий возросло в 20 раз), что и позволило снизить погрешность. Новая степень точности радикально изменила физическую значимость результата. Дело в том, что теоретические расчеты величины am мюона, проводимые в рамках СМ, имеют оцениваемую погрешность лучше чем 1 ppm. В то же время ряд взаимодействий, не описываемых СМ, дают относительные вклады в am мюона на уровне 1 ppm, что открывает возможность их выделения и анализа.

На достигнутом уровне точности возникло расхождение (в 2.6 стандартных отклонений) между измеренной и расчетной (СМ) величинами am мюона. Одна из возможных причин этого может быть связана с дополнительным вкладом в значение am мюона, обусловленного, в частности, существованием суперсимметричных частиц (скалярного мюона, нейтралино и т.д.). Важно отметить, что данное утверждение справедливо именно для мюона: вклад суперсимметричных частиц в am мюона по сравнению с подобным вкладом в am электрона усилен в меру квадрата отношения их масс, т.е. в 4 104 раз.

Последнее обстоятельство подогревает интерес к максимально точному измерению значения am мюона. Если считать упомянутые расхождения экспериментальных данных и теоретических расчетов физически достоверными, то можно сделать заключение, что массы наиболее легких суперсимметричных частиц не превышают 400 ГэВ/c2.

В ближайшее время авторы эксперимента обещают уменьшить погрешность измерений еще примерно в два раза. Это означает, что гипотеза о существовании суперсимметричных частиц вскоре будет подтверждена на новом уровне точности или же ниспровергнута.

А.А. Комар

доктор физико-математических наук
Москва