Хоча величезної енергії Великого Адронного Колайдера розміром 13 ТеВ є більш ніж достатнім для детектування багатьох частинок існування яких передбачено теоретиками, але нових частинок не було помічено з часу відкриття бозону Хігса у 2012 році. Відсутність нових частинок само по собі несе певну інформацію, але багато фізиків намагаються знайти натяк на "нову фізику", або фізику за межами Стандартної моделі.

У новій статті , яка була опублікована у журналі Physical Review Letters ( Yu-Sheng Liu, David McKeen, and Gerald A. Miller. Phys. Rev. Lett. 117, 101801 ) , фізики Ю-Шенг Лю, Девід МакКін та Джеральд А. Міллер з університету ім. Вашингтона у Сіетлі робили припущення про існування нової частинки яка може мати дуже привабливі властивості, через те вона зможе одночасно вірішити дві важливі проблеми: загадку радіуса протону та розбіжність між вимірами аномального магнітного моменту мюону і суттєво відмінним  передбаченнями (моменту) в межах Стандартної моделі.

"Нова частинка може відповідати за розв'язок двох, на перший погляд не зв'язаних між собою проблем," вважає Міллер. "Також ми вказали декілька експериментів які можуть в подальшому перевірити нашу гіпотезу".

Фізики описали нову гіпотетичну частинку як "електрофобний скалярний бозон". На цей час існує п'ять бозонів в межах Стандартної моделі, і тільки один з них є скалярним (бозон Хігса), який має нульовий спін. Усі п'ять бозонів були підтвердженні експериментально та всі є носіями взаємодії і відіграють роль того що тримає матерію укупі.

Одна з виключних особливостей нової гіпотетичної частинки є те, що хоча за припущенням вона взаємодіє з протонами та нейтронами, вона дуже слабо або взагалі не взаємодіє з електронами, що робить її "електрофобною". Вчені показали, що ця електрофобна властивість дозволить розв'язати як проблему з протоном так і з мюоном.

У випадку загадки протонного радіуса, питання є в тому що протонний радіус наче має різний розмір в залежності від того яка частинка рухається навколо протону. Експерименти показують, що радіус протону трошки більший у випадку коли навколо нього рухається електрон ніж у випадку мюона, який є ідентичним до електрону крім маси яка є у 200 разів більшою. Припустивши, що розбіжність не пов'язана з недостатньою точністю експерименту (що не виключено,  памятаючи як важко виміряти частинку що розміром менша за фемтометр [10^-15 метра] у диаметрі), результат може вказати на існування до цього часу не відомої фундаментальної сили яка тримає протон та мюон ближче але не працює у випадку протону та електрону.

"Принцип універсальності лептонів є стовпом Стандартної моделі" - каже Міллер, маючи на увазі ідею про те що всі лептони, включаючи електрони та мюони, мають поводитись однаково. "Наша частинка порушує цей принцип, через те що взаємодія між з мюонами та електронами виявляється різною".

Друга проблема, зв'язана з аномальним магнітним моментом мюона, який є мірою того який вклад дають квантові ефекти у магнітний момент частинки. На цей час найбільш точні виміри розбігаються з Стандартною моделлю на більш ніж три стандартних відхилення. І знов фізики припускають, що розбіжність може вказувати на фізику за межами стандартної моделі, або потрібні більш точні виміри. У випадку якщо відповіддю є саме нова фізика, нова частинка натякає що проблема протону і мюону можуть бути зв'язані.

Як каже Міллер: "Загадка радіуса протону, може бути пояснена існуванням додаткової взаємодії між мюоном та протоном. Також така взаємодія має давати вклад у значення аномального магнітного моменту мюона. Загадка радіуса протону (вклад у Лямбда зсув) визначає силу взаємодії яка дає вклад у аномальний магнітний момент. Новий вклад є просто достатньо великим для пояснення наявної розбіжності між теорією та експериментом. Рівняння у нашій статті дозволяють отримати нам конкретні значення, і ці числа можуть як раз підходити для пояснення двох загадок. Нові експерименти визначать чи це є справжньою фізикою чи є лише збігом обставин".

Фізик підкреслив, що вони не робили ніяких пропущень про гіпотетичну частинку крім того, що вони мають пояснити ці обидві проблеми. Обмеживши масу гіпотетичної частинки використовуючи данні попередніх експериментів, вчені передбачили що її маса межить в межах від 100 КеВ до 100 МеВ.

Хоча попередні експерименти вже досліджували частину передбаченого діапазону, автори визначили дві не досліджені області які підходять для пошуку. Вони сподіваються, що майбутні високоточні виміри з участю протонів та мюонів зможуть шукати частинку у цих областях.

"Ми обмежили простір параметрів (маса та коефіцієнт зв'язку) цієї нової частинки у обмеженій області (крім зв'язку з електроном)", зазначив Лю. "І таким чином експериментатори зможуть або знайти або виключити її шукаючи у конкретних місцях, а не вимірювати нульове значення більш і більш точно, як у випадку експерименту з електроном".

Тим часом, фізики чекають на поліпшені експерименти з виміру аномального магнітного моменту мюона - у випадку якщо розбіжність збережеться, це буде подальшою мотивацією існування нової частинки. Також вчені планують застосувати деякі з розвинутих методів для пошуку інших нових частинок.

"Наша робота над цією проблемою дозволила нам розвинути певні теоретичні методи які допоможуть шукати інші типи бозонів з іншими квантовими числами", відмітив Міллер. "Ми будемо застосовувати ці методи. Інший напрямок це більш глибоко розвинути теорію, що включає в себе наш новий бозон".

 

Ілюстарція вгорі: Використовуючи обмеження інших експериментів, фізикі визначили два діапазони, А та В (пунктирно) для пошуку нової частинки у запропонованих експериментів.

За матеріалами: Phys.org