Признаци за "нова физика" се появяват в два големи експеримента. Тедрон-адронният сблъсък е записал частици там, където не трябва да бъдат, а космическият експеримент PAMELA открива следи от разпадането на частици от тъмна материя. И двата факта добре се вписват в теорията, че "тъмната сила" съществува
Докато Големият адронов колайдер (LHC) се подготвя за ремонт след голяма авария през септември, американският Теватрон, който оцеля през последните месеци като най-мощният ускорител на планетата, представи физиците с неочаквана изненада. В края на миналата седмица сътрудници на сътрудничеството на CDF, работещи върху едноименния гигантски детектор на частици Tevatron, публикуваха предпечат, описващ нещо, което надхвърля почти свещения стандартен модел за елементарни частици за физиците.
Ако този сигнал се окаже не някакъв неотчитан за фонов ефект, това откритие ще бъде първото земно доказателство за ограниченията на стандартния модел.
Земно в смисъл, че астрофизиците отдавна познават тъмната материя и тъмната енергия, които също не се вписват в Стандартния модел. Вярно е, че практически нищо не се знае за свойствата на частиците, които съставят тъмна материя.
Теватрон и допълнителни муони
С детектора на CDF физиците изучават частиците, получени при сблъсъка на протони - положително заредени частици, които съставят всички атомни ядра, и антипротони - техните отрицателно заредени антиподи. В ускорителя на Теватрон, както подсказва името му, тези частици се ускоряват до енергии от почти 1 TeV, или 1000 GeV - хиляда милиарда електрон-волта, а енергията на сблъсъка съответно е почти 2000 GeV, което дава възможност да се създаде разнообразие, дори много масивно елементарни частици.
Въпреки това дори не е възможно просто да се определи съществуването на повечето от интересните частици. По правило те са нестабилни и се превръщат в няколко по-леки частици в малка част от секундата. Именно свойствата на продуктите на разпадане измерват детекторите, а физиците след това, в съответствие с добре познатата метафора, „се опитват да възстановят часовника, изследвайки фрагментите на предавките на часовника, които се сблъскват с почти светлинна скорост“.
Една от най-популярните „предавки“от този вид е мюонът. По своите свойства мюоните много приличат на обикновените електрони, обикалящи около атомните ядра. Мюоните обаче са много по-масивни и поради това имат особена стойност за експерименталните физици. Първо, по-трудно е да ги „заблудите“, когато се натъкнат на протоните и електроните на детектора, и второ, при самите сблъсъци те се раждат по-малко и е по-лесно да разглобите следите си в детектора, отколкото вплетените траектории на многобройни електрони.
Една от частиците, която активно се изследва с помощта на мюони, е така нареченият В-мезон, който включва тежък b-кварк (или антикварк).
И тук мюоните дълго време водеха експериментаторите за носа.
Теорията за структурата и взаимодействието на кваркове - квантова хромодинамика - ви позволява да изчислите вероятността от производството на В-мезони и тяхното участие в различни взаимодействия. Следователно е възможно да се оцени броят на мюоните, които ще се родят по време на разпадането на тези частици. В експеримента обаче са произведени много повече мюони, отколкото е планирано. Освен това друг метод за измерване на свойствата на В-мезоните показа резултати, които са в по-добро и по-добро съгласие с теорията. Така експериментаторите имаха все по-малко причини да обвинят теоретиците, че не знаят как да преброят (а изчисленията в квантовата хромодинамика са изключително трудни).
Причината за тези разминавания остава загадка за дълго време, докато учените не откриха, че някои от мюоните, които физиците дълго време приемат за продукти на разпадане на В-мезоните, всъщност нямат нищо общо с тях. Факт е, че B-мезонът живее за много кратко време и след като се е родил в сблъсъка на протони и антипротони, успява да отлети далеч от оста на вакуумната тръба, където се случват сблъсъците, само с 1-2 мм. Тук той се разпада на муони. Когато учените разбраха къде са родени мюоните, открити от техния детектор, проблемът с B-мезоните беше решен: както се оказа, някои от тях възникнаха много по-далеч от оста, а приносът на тези „допълнителни мюони“към крайния резултат точно обясни несъответствието с теорията.
Но откъде идват тези „допълнителни“муони?
Някои от тях произхождат на 3 мм от оста, на пет и на седем; някои са напълно извън вакуумната тръба, която наистина не се вписва в никоя порта.
Зараждащото се физическо „усещане“е свързано с тези частици. Тази дума, рядка за вечната наука, всъщност характеризира вълнението на теоретиците и експериментаторите по най-добрия възможен начин. Дискусиите за реалността на сигналите, намерени от сътрудничеството на CDF, вече бушуват в професионалните блогове на физиците, а на уебсайта на електронните предпечатници в Университета Корнел вече трети ден подред се появяват все повече теоретични обяснения за видяното.
Нови частици?
По принцип може да има голямо разнообразие от причини за появата на ненужни или, както казват физиците, "фонови" частици, а по-голямата част от статията от сътрудничеството на CDF е посветена на анализа на възможните причини за появата на сигнал, който не се харесва на "новата физика" извън стандарта модели. Може би не сме взели предвид някои други частици, от които се раждат мюони - например космически лъчи, или може би приемаме за мюони други продукти на разпад на частици, произведени в Теватрон? И накрая, може би сигналите в самия детектор, които приемаме за следи от мюони, не са такива - шум, статистически колебания, артефакти на яростни методи за математическа обработка на експериментални резултати?
Промоционално видео:
Според авторите на последната работа те не са успели да намерят „стандартно“обяснение.
Трябва да се отбележи, че почти една трета от сътрудничеството - около 200 от 600 души - отказаха да поставят подписите си върху статията, която беше подложена на „вътрешен одит“в продължение на почти шест месеца. До …
Всичко изглежда така, сякаш са успели да намерят признаци за съществуването на някаква нова частица, която живее много по-дълго от В-мезона, а тя няма място във физиката, която познаваме. Въпреки това учените все още се въздържат от такова пряко твърдение: опитът на цяло поколение физици, отново и отново убедени в приложимостта на стандартния модел за привидно напълно необясними явления, се усеща. Но е невъзможно просто да игнорираме почти 100 хиляди събития, записани от един от най-добрите инструменти на все още най-мощния ускорител на Земята.
Свойствата на "допълнителните" мюони са невероятни сами по себе си. Едно от най-поразителните е, че много често са се раждали в „опаковки“- не по една частица наведнъж, а по две, три, дори осем наведнъж. Освен това, като правило, от точката, в която са родени, те не излитат във всички посоки, но в приблизително една и съща посока - учените дори използват термина „мюонна струя“. А характерната енергия на нова непозната частица - ако тя наистина съществува - е няколко GeV. С други думи, „новата физика“- ако наистина започнем да я различаваме в мюонната мъгла - започва с енергии не в хилядите GeV, към които се насочват чудовища като LHC, но много по-рано.
И тези свойства поразително приближават резултатите от наземния ускорител с данните, публикувани само няколко дни по-рано от космическия античастичен детектор PAMELA.
Позитронната фракция като функция на енергията // PAMELA Group, arXiv.org
Резултати от експеримента PAMELA
Международният изследователски автомобил PAMELA на борда на руския изкуствен спътник Resurs-DK1 надеждно е записал излишък от високоенергийни позитрони в поток от заредено пространство …
Според много астрофизици излишъкът на високоенергийни позитрони (античастици към електрони) в космическите лъчи възниква при разпадането или унищожаването на частици от мистериозна тъмна материя. Това е друг елемент от физиката извън стандартния модел, за съществуването на който (и дори доминирането от масата) астрономите отдавна знаят, но не могат да кажат нищо стойностно: затова е тъмна материя, че тя не се вижда и нейното присъствие се раздава само чрез гравитацията.
Dark Power
Както се оказа, четворката от теоретици от Принстън, Харвард и Ню Йорк вече има обяснение на резултатите от PAMELA, което е било полезно с новите данни от Tevatron. Според Нима Арканихамед и неговите колеги в рамките на техния суперсиметричен модел се получава единно и естествено обяснение за излишъка от позитрони, надеждно измерен от апарата PAMELA, едва забележим излишък от гама лъчи, идващ на пръв поглед от нищото, и мъгливото сияние на центъра на галактиката в гама и радио лъчи, записани от други астрофизични спътници.
В съответствие с модела, частиците от тъмна материя имат маса около 1000 GeV и не участват във взаимодействията, които познаваме. Те обаче действат един върху друг с помощта на къса дистанция "тъмна" сила, която се носи от друга тъмна частица с маса около 1 GeV. С други думи, към трите обичайни типа взаимодействие, действащи само върху обикновената материя (електромагнитна и ядрена, слаба и силна), се добавя още една, която действа само в света на тъмната материя. Гравитацията, както обикновено, се разделя, свързвайки двата свята.
Теоретиците имаха нужда от „тъмната“сила, за да свържат частиците от тъмната материя в един вид „атоми“, при които една от тъмните частици има отрицателен „тъмен заряд“, а другата има положителен „тъмен заряд“. Само образуването на "атоми" позволява на тъмната материя да се унищожи достатъчно интензивно, за да обясни резултатите от астрофизичните наблюдения (това е така нареченият механизъм на Сомерфелд).
Въпреки това, частицата, която носи „тъмната“сила, вече може да се разпадне директно с излъчването на обикновени частици и именно тази частица, според Арканихамед и неговите колеги, може да е отговорна за появата на „допълнителни“муони.
Освен това, разпадането на тъмни частици, заредени с тъмен заряд, естествено протича в каскада, докато удари най-леката стабилна тъмна частица, която няма какво да се разпадне. Всяка стъпка от тази каскада включва частица - носител на тъмна сила и следователно на всяка стъпка може да се появи допълнителна мюон. Толкова за муони в „опаковки“. Е, фактът, че всички те летят в една и съща посока, се дължи просто на факта, че разпадащата се частица се движи бързо - затова зарядите на празничните фойерверки, експлодиращи преди да достигнат най-високата точка на траекторията си, изхвърлят цели фонтани с ярки светлини напред. Толкова за "струята".
Публикуването на данни от сътрудничеството между CDF и PAMELA несъмнено ще доведе до появата на десетки, ако не и стотици, възможни обяснения през следващите месеци. Така че може да не си струва да се спираме на модела на Арканихамед. Засега тя се отличава само с това, че се оказа в съда, когато интерпретира и тези, и други данни.
Разбира се, възможно е и двата експериментални резултата да получат по-тривиални обяснения. „Екстра мюони“може да се окаже нищо повече от неотчитан инструментален ефект от гигантската CDF инсталация, а „допълнителни позитрони“могат да се генерират в близост до неутронни звезди в нашата Галактика.
Но перспективите са интригуващи. В света на тъмната материя, който доскоро изглеждаше като безформена мътност, зад която астрономите крият своето неразбиране за структурата на света, започна да се появява структура - някои взаимодействия, „тъмни заряди“, „тъмни атоми“. Може би физиката не свършва и новите поколения учени ще имат какво да изучават в „тъмния свят“.
