Учените, работещи в сътрудничество с CMS, съобщават за вероятното откриване на неизвестна частица, разпадаща се в мюони с обща маса 28 GeV. В момента нито един теоретичен модел не прогнозира съществуването на тази частица, но учените се надяват, че тази аномалия не е резултат от статистическа грешка. Предпечатът за наблюдение е достъпен в хранилището arXiv.org. Ще ви разкажем подробно за изследването, което може да се окаже едновременно пробивно откритие и още едно избухване.
Адска намотка
Компактният муонов соленоид, или CMS (Compact Muon Solenoid), е голям детектор на елементарни частици, разположен на Големия адронен колайдер (LHC). Това гигантско устройство с диаметър 15 метра и тегло 15 хиляди тона е предназначено за търсене на Нова физика - физика извън стандартния модел. Ако стандартният модел описва свойствата на всички известни елементарни частици (а някои от тях все още не са потвърдени), тогава хипотезите в рамките на New Physics се опитват да обяснят различни явления, които все още остават загадка за учените.
Според една от хипотезите - суперсиметрия - всяка известна елементарна частица съответства на суперпартнер с по-тежка маса. Например партньорът на електрона, който е фермионът, е селезонният бозон, а партньорът на глюона (който е бозонът) е глюино фермионът. Липсата на резултати за потвърждаване на свръхсиметрия доведе до факта, че този модел е изоставен от все повече учени.
Протон-протонните сблъсъци се случват вътре в детектора. Всеки протон е съставен от три кварка, които се държат заедно от глюонното поле. При висока скорост, сравнима със скоростта на светлината, глюоновото поле се превръща в „супа“от частици - глуони. При челен сблъсък на протони само няколко кварка или глуона взаимодействат помежду си, останалите частици летят без препятствия. Провеждат се реакции, които произвеждат много краткотрайни частици, а различни CMS детектори записват продуктите си на разпад, включително мюони. Мюоните приличат на електрони, но 200 пъти по-масивни.
С помощта на детектори, разположени извън соленоида, учените успяват да проследят траекториите на мюоните с висока точност и да определят какво точно е причинило появата на определена частица. Необходим е голям брой сблъсъци на протон-протон, за да се увеличат шансовете за образуване на рядка частица, която се разпада на муони. Това генерира астрономическо количество данни (около 40 терабайта в секунда) и за да се намери бързо нещо необичайно в тях, се използва специална спусъчна система, която решава каква информация да запише.
Промоционално видео:
Призракът вътре
CMS, заедно с детектора ATLAS, също разположен в LHC, се използва за търсене на бозона на Хигс, предвиден от стандартния модел. Тази частица е отговорна за масата на W- и Z-бозоните (носители на слабото взаимодействие) и липсата на маса във фотона и глюона. През 2012 г. беше открит богът на Хигс с маса 125 GeV. Въпреки това учените смятат, че може да има други бозони на Хигс с по-ниска маса извън стандартния модел. Те са предвидени от модела на Хигис с два дублета и NMSSM (следващ до минимален свръхсиметричен стандартен модел). Въпреки всички експериментални тестове, учените все още не са успели да докажат или опровергаят тези хипотези.
Учените от CMS търсят други леки екзотични частици. Те включват, например, тъмни фотони - носители на напълно ново фундаментално взаимодействие, напомнящи електромагнитните и които са аналогични на фотоните за тъмната материя. Друга хипотетична частица е тъмният аналог на Z-бозона.
Физиците проведоха експеримент, за да намерят доказателства за съществуването на лек бозон, който се излъчва от двойка доста кварки (b-кварки) и се разпада в мюон и антимуон. По време на експеримента при сблъсъци на протон-протон при енергия в центъра на масова система (система, в която частиците имат еднакъв и противоположно насочен момент), равна на 8 TeV, са регистрирани редица събития, които вероятно са свързани с хипотетичен бозон.
Първият тип събития включва появата на струя b-кварки в центъра на детектора и неговата предна част, а вторият - появата на две струи в центъра, а не на една струя в предната част. И в двата случая се наблюдава излишък на нововъзникващите муонни двойки, докато масата на двойките, както е показано от последващ анализ, достига 28 GeV. Разликата в броя на мюонните двойки от фоновите стойности за събития от първи вид е 4,2 стандартно отклонение (сигма), а за събития от втори вид е 2,9 сигма.
Смъртта на физиката
Във физиката на частиците разлика от пет сигми показва известно съществуване на аномалия, която не би могла да възникне случайно. Ако обаче разликата се намира в диапазона от 3-5 сигми, тогава физиците казват, че това само показва съществуването на нова частица. В последния случай е необходимо да се получат много повече данни за потвърждаване (или опровержение) на резултата, за да се изключат грешките при обработката и интерпретацията на данните. Ако всичко се потвърди, тогава можем да кажем, че мюоните възникват поради разпадането на частица от Новата физика.
Това не е първият път, когато в LHC е наблюдавано явление, което не се вписва в стандартния модел. През 2016 г. физиците обявиха откриването на признаци за съществуването на резонанс, съответстващ на масивна краткотрайна частица. Той е регистриран през 2015 г. като излишък от двойки фотони с обща маса 750 GeV, в които тази частица уж се разпада. С други думи, тази частица трябваше да е шест пъти по-масивна от бозона на Хигс. Въпреки това, анализът на данните, събрани по-късно, не потвърди този резултат.
Досега физиците не са намерили надеждни следи от съществуването на Нова физика. Няма съмнение обаче, че той трябва да съществува, тъй като Стандартният модел не е в състояние да обясни такива явления като проблема с йерархията на фермионните маси (за разрешаването му е въведен хипотетичен бозон на Голдстоун), наличието на маса в неутрино, асиметрията на материята и антиматерията, произхода на тъмната енергия и други. Самото присъствие на тъмна материя във Вселената предполага цял клас хипотетични частици с екзотични свойства, които я съставляват. Парадоксално е, че всичко, което учените са успели да направят досега, е да експериментално потвърдят изчерпания стандартен модел.
Някои учени предполагат, че ако е възможно да се докаже Новата физика, тогава това трябва да стане в най-близко бъдеще, в рамките на следващите няколко години. В противен случай ще бъде възможно сериозно да се опасяваме, че човечеството вече няма да може да направи значителни открития. Окуражаващо е, че напоследък все повече аномалии се откриват на ускорителите, намеквайки, че учените са на прага на нещо съвсем ново.
Александър Еникеев