Эксперимент Muon g-2, проводимый на лаборатории Fermilab в штате Иллинойс, стал одним из самых важных проектов современной физики элементарных частиц за последние несколько десятилетий. Он направлен на измерение так называемого «гиро-магнитного отношения» мюона, фундаментальной величины, характеризующей магнитные свойства этой элементарной частицы. Изучение и точное измерение этого параметра, обозначаемого как (g-2), способно выявить отклонения от стандартной модели — теоретической базы, описывающей все известные частицы и их взаимодействия. Любые несоответствия между экспериментом и теорией могут указывать на существование новых физических процессов и частиц, ранее неизвестных науке. История аномалии Muon g-2 уходит в 1990-е годы, когда впервые появились данные о возможном расхождении между измерениями магнитного момента мюона и теоретической предсказанной величиной в стандартной модели.
Эти ранние результаты, полученные в национальной лаборатории Брукхейвен, вызвали большой интерес и споры в научном сообществе, поскольку несоответствующая аномалия могла означать существование новых видов взаимодействий, выходящих за рамки существующих представлений. Перенос эксперимента из Брукхейвена в Fermilab стал ключевым шагом в развитии данного направления. Магнитное кольцо хранения мюонов было аккуратно транспортировано с берегов Лонг-Айленда в Бакавию, Иллинойс, где учёные провели масштабные технические улучшения и модернизацию оборудования. Новый эксперимент, начатый в 2017 году, продемонстрировал значительный прогресс в точности измерений по сравнению с предыдущими. Точность достигнута благодаря увеличению количества захваченных мюонов, что позволило снизить статистическую неопределённость до 98 частей на миллиард (ppb), улучшив результат Брукхейвена почти в пять раз.
Кроме того, технические усовершенствования во всех аспектах — начиная с калориметрии, отслеживания частицы, калибровки детекторов и точного картографирования магнитного поля — позволили существенно уменьшить систематические ошибки до 78 ppb, что более чем в три раза лучше предыдущего уровня. В ходе последних измерений, результат эксперимента составил (116592070.5 ± 11.4 (стат.) ± 9.
1 (сист.) ± 2.1 (внеш.)) × 10⁻¹¹, что полностью согласуется с результатами Брукхейвена и при этом превосходит их по точности. Этот факт поставил перед теоретическим сообществом серьезную задачу — провести новые и более детальные расчёты стандартной модели с целью сопоставления с экспериментальными данными.
Теоретические вычисления аномального магнитного момента мюона сложны и включают в себя вклад всех областей стандартной модели. Особое внимание уделяется процессам, связанным с так называемой адронной вакуумной поляризацией (HVP), которая вносит значительную долю неопределённости. В HVP виртуальные частицы — кварки и глюоны — взаимодействуют со средой фотона, воспринимаемого мюоном, что затрудняет моделирование и требует использования сложных вычислительных методов. С момента публикации первой теоретической белой книги Muon g-2 Theory Initiative в 2020 году и особенно после её обновления в 2025-м, в которой лабораторная QCD-методика позволила значительно улучшить расчеты, произошел заметный сдвиг в оценках стандартной модели. В отличие от старой методики, основанной исключительно на анализе экспериментальных данных с электрон-позитронных коллайдеров, новые данные базируются на численных методах решающих квантово-хромодинамические (QCD) уравнения с высокой точностью.
Этот сдвиг привёл к тому, что нынешнее значение теоретической предсказанной величины стало почти совпадать с результатами эксперимента, при этом статистическая несовместимость между теорией и экспериментом сократилась почти до нуля. Именно поэтому многие учёные сегодня говорят о том, что существовавшая ранее аномалия либо существенно уменьшилась, либо вовсе исчезла с присущей новой точностью. Вместе с тем, некоторые разногласия в данных и методы расчёта всё ещё требуют дальнейших исследований и уточнений. Особое внимание уделяется сравнительному анализу двух подходов — методов, основанных на экспериментальных данных (data-driven), и чисто вычислительных методы с применением lattice QCD, которые ещё пока не полностью совпадают и оставляют пространство для будущих исследований и возможных объяснений существующих «загадок». Парадоксально, но именно в точной проработке таких расхождений видится источник новых знаний о природе.
Что касается перспектив, то со стороны экспериментальной физики внимание перемещается к эксперименту Muon g-2/EDM, который проводится в Японии на установке J-PARC. Этот проект, начиная работу примерно с 2030 года, применяет инновационные методы контроля систематических погрешностей, включая использование состояния мюмония — экзотического атома, состоящего из мюона и электрона, и реактивацию мюонов для измерений с высокочувствительными лазерными технологиями. Японская установка также обладает целью измерения электрического дипольного момента мюона (EDM) с беспрецедентной точностью. Открытие EDM при величинах порядка 10⁻²¹ э·см, существенно выше прогнозов стандартной модели, будет убедительным свидетельством о наличии новой физики, выходящей далеко за рамки известных теорий. Это означает, что даже при совпадении магнитного момента в экспериментах, есть ещё неизведанные возможности для выявления новых явлений через соответствующие прецизионные измерения.
Таким образом, последний раунд результатов Fermilab продемонстрировал инструментальную и методологическую зрелость эксперимента Muon g-2 и показал способность науки уточнять и фиксировать границы наших знаний о микромире. Несмотря на серьёзное снижение аномалии в магнитном моменте мюона, исследовательское поле остаётся открытым и перспективным. Современные и грядущие вычислительные инструменты, новые методы рабочей сессии с данными, а также параллельные и комплементарные эксперименты в других частях мира гарантируют интенсивную динамику открытия новых фактов в физике элементарных частиц в ближайшие годы. Ученые продолжают активно работать над снижением теоретических и экспериментальных неопределенностей, чтобы окончательно разрешить вопрос о правомерности или отсутствии аномалии Muon g-2. Каждое новое измерение и вычисление приближает нас к пониманию фундаментальных законов природы, которые могли бы не только уточнить стандарты модели, но и открыть двери в неизведанные области физики.
Эксперимент Muon g-2 остается одним из факторов, способных революционизировать фундаментальную физику, а недавние публикации и анализы дают вескую основу для оптимизма в поисках новых компонентов мироздания. Полное разрешение загадок мюонной аномалии станет не только признанием выдающихся достижений современных ученых и технических специалистов, но и первым шагом к новой эре понимания микрокосмоса.
