магнитный момент мюона

В 21-километровом кольце подмосковного Протвино когда-то планировали разгонять протоны. Сегодня та же труба могла бы принять совсем другую машину — мюонный коллайдер. Мюон — тяжёлый родственник электрона, и в этом его сила. Электрон на вираже кольца излучает как прожектор, теряя драгоценную энергию. Мюон излучает в миллиард раз слабее.

Свинцовый шар висит над другим свинцовым шаром. По обычным законам тяготения они притягиваются ровно по вертикали — вдоль линии, соединяющей их центры.

В огромном кольце магнитов под Чикаго мюоны кружили, как фигуристы на катке. Только вместо музыки — магнитное поле, а вместо вращения — едва заметное покачивание спина. Это покачивание физики называют аномальным магнитным моментом. Проще говоря, мюон — тяжёлый собрат электрона — слегка «дрожит» в магнитном поле.

Атомное ядро редко бывает идеальным шаром. Чаще оно похоже на слегка помятый мяч — электрический заряд внутри распределён неравномерно, и протоны могут чуть смещаться, создавая крошечную «грушевидную» выпуклость.

Глубоко под землёй, в толще гранита, детекторы ловят редких гостей из космоса — мюоны. Эти частицы рождаются высоко в атмосфере, когда космические лучи врезаются в ядра воздуха. Долететь до подземной лаборатории им помогает огромная скорость, близкая к скорости света.

Каждую секунду сквозь тело проходит около сотни невидимых частиц — мюонов. Они рождаются высоко в небе, когда космические лучи сталкиваются с атомами воздуха, и дождём сыплются на Землю. Эти частицы настолько проникающие, что могут пройти сквозь многоэтажное здание, но при этом слегка меняют направление, встретив плотное вещество — например, свинец или уран.

Электрон и его более тяжёлый родственник — мюон — ведут себя как крошечные магниты. Их магнитный момент в специальных единицах чуть превышает двойку, и эта «избыточная доля» называется аномальным магнитным моментом.

Бозон Хиггса — как дирижёр, задающий массу всем остальным частицам. Без него электроны были бы безмассовыми, а атомы развалились бы. Но как именно дирижёр взаимодействует сам с собой? Это главный вопрос, на который должен ответить будущий мюонный коллайдер. В статье рассмотрена установка MUSIC, спроектированная для столкновений мюонов при энергии 10 ТэВ.

Чтобы измерить истинный размер протона, физики заменили электрон в атоме водорода на его тяжёлую копию — мюон, частицу того же семейства лептонов, но в 207 раз массивнее. Мюон, словно лупа с тысячекратным приближением, подходит к ядру вплотную и «ощупывает» протон с недоступной ранее точностью.

Протоны, разогнанные до огромной энергии, врезаются в толстую металлическую плиту — как пули в броню. Внутри металла на мгновение рождается частица J/ψ, которая тут же распадается на два мюона — лёгких родственника электрона. Эти мюоны вылетают из мишени, и детекторы ловят их следы. Учёные сравнили число пойманных мюонов с предсказаниями компьютерной модели.

Когда массивная звезда исчерпывает ядерное топливо и схлопывается в сверхновую, рождается нейтронная звезда — объект диаметром с небольшой город, но с массой, сравнимой с солнечной. Её вещество сжато до такой степени, что одна чайная ложка этого материала весила бы больше, чем гора Эверест.

В подземном кольце длиной 27 километров протоны разгоняют почти до скорости света и сталкивают лоб в лоб. В точке удара на мгновение возникают условия, какие были в первую триллионную долю секунды после рождения Вселенной. Детектор CMS — многоэтажная машина из кремния, свинца и сверхпроводящих магнитов — ловит обломки этих столкновений.

Глубоко под землёй, в бывшей золотой шахте в Австралии, стоит лаборатория, где тишину нарушают только редкие вспышки света. Эти вспышки — следы космических частиц, которые пробиваются сквозь сотни метров горной породы. Восемь пластиковых панелей, похожих на большие светящиеся листы, ловят эти частицы.

Кусок ядерного топлива внутри реактора — это не просто твёрдое тело. При нагреве атомы урана в нём начинают «шевелить» своими магнитными моментами, и это движение меняет теплопроводность и другие свойства.

Магнит на холодильнике держится потому, что внутри него крошечные атомные стрелки выстроены в одном направлении. Но квантовая механика заставляет эти стрелки дрожать, и общая намагниченность становится меньше идеальной.

В столкновениях тяжёлых ядер рождается огненный шар из тысяч частиц. Среди них — пионы и каоны, два вида лёгких частиц, которые очень похожи друг на друга. Чтобы понять, что происходит в этом огненном шаре, физикам нужно точно знать, сколько каких частиц вылетело.

Ядро дейтерия, или дейтрон, можно представить как микроскопический волчок. Если распределение зарядов внутри него не идеально симметрично, то во внешнем электрическом поле этот волчок испытывает крошечный наклон оси вращения.

Протон — не цельный шарик. Внутри него кипит смесь из кварков и глюонов. Глюоны — это частицы, которые склеивают кварки, как клей склеивает деревяшки. Вопрос: сколько «веса» протона приходится на этот клей? Физики посчитали это на компьютере, разложив пространство и время на мелкую сетку. Стандартная модель описывает, как кварки и глюоны взаимодействуют.

Каждую секунду из космоса в атмосферу Земли врезаются невидимые частицы — космические лучи. Сталкиваясь с молекулами воздуха, они рождают ливни вторичных частиц, среди которых особенно много мюонов. Мюон — тяжёлый родственник электрона, который живёт всего пару микросекунд, но успевает долететь до земли.

Мюон — тяжёлый брат электрона, который живёт всего две миллионные доли секунды. В магнитном поле он крутится, как волчок, но чуть быстрее, чем предсказывают формулы. Двадцать лет назад в Брукхейвене это «чуть быстрее» заметили, и с тех пор физики спорили: то ли приборы врут, то ли в пустоте прячутся неведомые частицы.

Все тела в вакууме падают с одинаковым ускорением — этот принцип, сформулированный ещё Эйнштейном в общей теории относительности, лежит в основе нашего понимания гравитации. Однако до сих пор он был экспериментально подтверждён только для частиц обычной материи.

Мюон — это элементарная частица, похожая на крошечный волчок, вращающийся в бурном море вакуума. Его магнитная ось — вектор, описывающий силу и направление магнитного поля, — указывает чуть в сторону от того, что предсказывает Стандартная модель физики частиц.

Две фундаментальные теории описывают реальность: общая теория относительности объясняет, как массивные тела вызывают искривление пространства-времени, а Стандартная модель управляет поведением элементарных частиц. Примирить их не удаётся — это похоже на попытку описать океанский шторм, используя язык кристаллической решётки алмаза.