Обычно световые волны проходят друг сквозь друга без какого-либо сопротивления. Согласно законам электродинамики, два световых луча могут находиться в одном и том же месте, не влияя друг на друга; они просто накладываются. Поэтому сражения на световых мечах, как их показывают в научно-фантастических фильмах, в реальности были бы довольно скучными.
Тем не менее, квантовая физика предсказывает эффект «рассеяния света на свете». Обычные лазеры недостаточно мощны, чтобы его обнаружить, но он наблюдался на ускорителе частиц ЦЕРНа. Виртуальные частицы могут буквально на короткое время возникать из ничего, взаимодействовать с фотонами и изменять их направление. Эффект чрезвычайно мал, но его необходимо точно понимать, чтобы проверить теории физики элементарных частиц с помощью современных высокоточных экспериментов с мюонами. Команда из Венского университета смогла показать, что важную роль в этом играет ранее недооцененный аспект: вклад так называемых тензорных мезонов. Новые результаты были опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Когда фотоны взаимодействуют друг с другом, могут создаваться виртуальные частицы. Их невозможно измерить напрямую, поскольку они немедленно исчезают. В некотором смысле, они постоянно есть и в то же время их нет – квантовая физика допускает такие суперпозиции состояний, которые были бы взаимоисключающими в соответствии с нашим классическим повседневным пониманием.
«Несмотря на то, что эти виртуальные частицы невозможно наблюдать непосредственно, они оказывают ощутимое влияние на другие частицы», — говорит Йонас Магер из Института теоретической физики Венского университета, ведущий автор исследования. «Если вы хотите точно рассчитать, как ведут себя реальные частицы, вы должны учитывать все возможные виртуальные частицы. Вот что делает эту задачу сложной, но в то же время такой интересной».
Когда свет рассеивается, фотон может трансформироваться, например, в электрон-позитронную пару. Другие фотоны могут взаимодействовать с этими двумя частицами, прежде чем электрон и позитрон аннигилируют друг с другом и образуют новый фотон. Ситуация усложняется, когда создаются более тяжелые частицы, которые также подвержены воздействию сильных ядерных взаимодействий – например, мезоны, состоящие из кварка и антикварка.
«Существуют различные типы мезонов», — говорит Йонас Магер. «Теперь мы смогли показать, что одни из них, тензорные мезоны, были значительно недооценены. Благодаря эффекту светорассеяния они влияют на магнитные свойства мюонов, что может быть использовано для проверки стандартной модели физики элементарных частиц с предельной точностью». Тензорные мезоны действительно появлялись в более ранних расчетах, но с очень грубыми упрощениями. В ходе новой оценки оказалось, что их вклад не только намного больше, но и имеет другое значение, чем предполагалось ранее, что оказывает противоположное влияние на результаты.
Полученные результаты также устраняют несоответствие, возникшее в прошлом году между последними аналитическими расчетами и альтернативным компьютерным моделированием. «Проблема в том, что традиционные аналитические расчеты могут хорошо описать взаимодействия кварков только в предельных случаях», — говорит Антон Ребхан.
Команда использовала нетрадиционный метод – голографическую квантовую хромодинамику. Он предполагает отображение процессов в четырех измерениях (т.е. трех пространственных и одном временном измерении) в пятимерном пространстве с гравитацией.
«Тензорные мезоны могут быть отображены на пятимерные гравитоны, для которых теория относительности Эйнштейна дает четкие предсказания», — объясняет Антон Ребхан. «Теперь у нас есть компьютерное моделирование и аналитические результаты, которые хорошо сочетаются друг с другом, но отличаются от предыдущих предположений. Мы надеемся, что это придаст новый импульс ускорению уже запланированных экспериментов с тензорными мезонами».
Анализ важен для ответа на один из важнейших вопросов физики: насколько надежна стандартная модель физики элементарных частиц? Это общепринятая квантовая физическая теория, которая описывает все известные типы частиц и все силы природы, за исключением гравитации.
Точность стандартной модели может быть особенно хорошо проверена в нескольких тестовых случаях, например, путем измерения магнитного момента мюонов. В течение многих лет ученые ломали голову над тем, указывают ли определенные расхождения между теорией и экспериментом на «новую физику», выходящую за рамки стандартной модели, или же это просто неточности или ошибки. Расхождение в магнитном моменте мюона в последнее время стало намного меньше, но для того, чтобы искать новую физику, необходимо как можно точнее понять оставшиеся теоретические неопределенности. Именно этому способствует новая работа.
