Тем не менее, квантовая физика предсказывает эффект "рассеяния света на свете". Обычные лазеры недостаточно мощны, чтобы обнаружить его, но он наблюдался на ускорителе частиц ЦЕРНа. Виртуальные частицы могут буквально возникать из ничего на короткое время, 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 на мюонах. Команда из TU Wien (Вена) теперь смогла показать, что важную роль в этом играет ранее недооцениваемый аспект: вклад так называемых тензорных мезонов. Новые результаты были опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Виртуальные частицы из ничего

Когда фотоны взаимодействуют с фотонами, могут создаваться виртуальные частицы. Их нельзя измерить непосредственно, так как они немедленно исчезают. В некотором смысле, они постоянно есть и не существуют одновременно - квантовая физика допускает такие суперпозиции состояний, которые были бы взаимоисключающими в соответствии с нашим классическим повседневным пониманием.

"Несмотря на то, что эти виртуальные частицы нельзя наблюдать непосредственно, они оказывают измеримое влияние на другие частицы", - говорит Йонас Магер из Института теоретической физики в Венском университете, ведущий автор исследования. "Если вы хотите точно рассчитать, как ведут себя реальные частицы, вы должны правильно учитывать все мыслимые виртуальные частицы. Вот что делает эту задачу такой трудной, но в то же время такой интересной".

Когда свет рассеивается, фотон может трансформироваться, например, в электрон-позитронную пару. Затем другие фотоны могут взаимодействовать с этими двумя частицами, прежде чем электрон и позитрон аннигилируют друг с другом и превратятся в новый фотон. Все усложняется, когда создаются более тяжелые частицы, которые также подвержены сильным ядерным взаимодействиям - например, мезоны, которые состоят из кварка и антикварка.

"Существуют разные типы этих мезонов", - говорит Джонас Магер. "Теперь мы смогли показать, что один из них, тензорные мезоны, был значительно недооценен. Благодаря эффекту рассеяния света они влияют на магнитные свойства мюонов, которые могут быть использованы для проверки стандартной модели физики элементарных частиц с предельной точностью". Тензорные мезоны действительно появлялись в более ранних расчетах, но с очень грубыми упрощениями. В новой оценке их вклад не только оказывается намного сильнее, чем предполагалось ранее, но и имеет иной знак, чем предполагалось ранее, что влияет на результаты в противоположном направлении.

Необычные теоретические методы

Этот результат также устраняет несоответствие, возникшее в прошлом году между последними аналитическими расчетами и альтернативным компьютерным моделированием. "Проблема в том, что обычные аналитические расчеты могут хорошо описать сильные взаимодействия кварков только в предельных случаях", - говорит Антон Ребхан (TU Wien).

Команда TU Wien, с другой стороны, использовала нетрадиционный метод - голографическую квантовую хромодинамику. Это включает в себя отображение процессов в четырех измерениях (т.е. трех пространственных измерениях и одном временном измерении) в пятимерное пространство с гравитацией. Затем некоторые проблемы могут быть легче решены в этом другом пространстве, и результаты затем преобразуются обратно. "Тензорные мезоны могут быть отображены на пятимерные гравитоны, для которых теория гравитации Эйнштейна дает четкие предсказания", - объясняет Антон Ребхан. "Теперь у нас есть компьютерное моделирование и аналитические результаты, которые хорошо сочетаются друг с другом, но отклоняются от некоторых предыдущих предположений. Мы надеемся, что это также придаст новый импульс ускорению уже запланированных конкретных экспериментов с тензорными мезонами".

Стандартная модель, подвергнутая испытанию

Эти анализы важны для решения одного из самых важных вопросов в физике: 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 исследована в нескольких специальных тестовых примерах, 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 действительно искать новую физику, оставшиеся теоретические неопределенности также должны быть поняты как можно точнее. Это именно то, чему способствует новая работа.