Большой адронный коллайдер вызвал ажиотаж во всем мире в марте, когда физики элементарных частиц сообщили об обнаружении интригующих доказательств нового типа физических взаимодествий — потенциально новой силы природы. Новая работа, проводимая на гигантском коллайдере частиц ЦЕРН, еще не прошедший рецензию, кажется, полностью подтверждает ранние выводы.

Наша лучшая в настоящее время теория частиц и сил известна как стандартная модель, которая с безошибочной точностью описывает все, что мы знаем о физических веществах, из которых состоит мир вокруг нас. Стандартная модель, без сомнения, является наиболее успешной научной теорией из когда-либо записанных, и в то же время мы знаем, что она должна быть неполной.

Как известно, она описывает только три из четырех фундаментальных сил — электромагнитную силу, а также сильную и слабую силы, не считая гравитации. Но этой теории нет объяснения темной материи, которая, по словам астрономов, доминирует во Вселенной. Доминирующая теория не может объяснить, как материя выжила во время Большого взрыва. Поэтому большинство физиков уверены, что должно быть больше космических ингредиентов, которые еще предстоит открыть, и изучение множества фундаментальных частиц, известных как прекрасные кварки, является особенно многообещающим способом получить представление о том, что еще может быть там.

Красивые кварки, иногда называемые нижними кварками, представляют собой элементарные частицы, которые, в свою очередь, составляют более крупные частицы. Существует шесть разновидностей кварков, которые называются "dubbed up", "down", "strange", "charm", "beauty/bottom" и "truth/top". Например, верхние и нижние кварки составляют протоны и нейтроны в атомном ядре.

Красивые кварки нестабильны: в среднем они живут около 1,5 триллионных долей секунды, прежде чем распасться на другие частицы. На то, как распадаются прекрасные кварки, может сильно влиять существование других фундаментальных частиц или сил. Когда красивый кварк распадается, он превращается в набор более легких частиц, таких как электроны, под действием слабого взаимодействия. Один из способов, с помощью которого новая сила природы может заявить о себе, — это незаметно изменить частоту распада прекрасных кварков на частицы разных типов.

Мартовская статья была основана на данных эксперимента LHCb, одного из четырех гигантских детекторов частиц, которые регистрируют результаты столкновений сверхвысоких энергий, произведенных LHC. Было обнаружено, что кварки красоты распадаются на электроны, а их более тяжелые собратья, называемые мюонами, с разной скоростью. Это было действительно удивительно, потому что, согласно стандартной модели, мюон в основном является копией электрона - идентичным во всех отношениях, за исключением того, что он примерно в 200 раз тяжелее. Это означает, что все силы должны притягивать электроны и мюоны с равной силой — когда красивый кварк распадается на электроны или мюоны под действием слабого взаимодействия, это должно происходить одинаково часто.

Вместо этого мои коллеги обнаружили, что распад мюона происходит примерно на 85% реже, чем распад электрона. Если предположить, что результат верен, единственный способ объяснить такой эффект будет, если какая-то новая сила природы, которая по-разному тянет электроны и мюоны, мешает распаду красивых кварков.

Результат вызвал огромный ажиотаж среди физиков элементарных частиц. Мы десятилетиями искали признаки чего-то, выходящего за рамки стандартной модели, и, несмотря на десять лет работы на LHC, до сих пор ничего убедительного не найдено. Так что открытие новой силы природы было бы огромным делом и, наконец, могло бы открыть дверь к разгадке некоторых из самых глубоких загадок, стоящих перед современной наукой.

Хотя результат был заманчивым, он не был окончательным. Все измерения имеют определенную степень неопределенности или «ошибки». В данном случае вероятность того, что результатом является случайное статистическое колебание, составляла лишь примерно один шанс из 1000 — или "трех сигм", как мы говорим на языке физики элементарных частиц.

Один из 1000 может показаться не таким уж большим, но мы проводим очень большое количество измерений в физике элементарных частиц, поэтому вы можете ожидать, что небольшая горстка выбросит выбросы случайно. Чтобы быть действительно уверенным в том, что эффект реален, нам нужно достичь пяти сигм — что соответствует менее чем одному шансу на миллион того, что эффект будет вызван жестокой статистической случайностью.

Чтобы добраться туда, нам нужно уменьшить размер ошибки, а для этого нам нужно больше данных. Один из способов добиться этого — просто провести эксперимент дольше и записать больше распадов. Эксперимент LHCb в настоящее время модернизируется, чтобы в будущем можно было регистрировать столкновения с гораздо большей скоростью, что позволит нам проводить гораздо более точные измерения. Но мы также можем получить полезную информацию из данных, которые мы уже записали, ища похожие типы распадов, которые труднее обнаружить.

Строго говоря, ученые никогда не изучали распады прекрасных кварков напрямую, поскольку все кварки всегда связаны вместе с другими кварками, образуя частицы большего размера. В мартовском исследовании изучались прекрасные кварки, объединенные в пары с "восходящими" кварками. В нашем результате были изучены два распада: в одном прекрасные кварки были спарены с "нижними" кварками, а в другом они также были спарены с восходящими кварками. То, что спаривание отличается, не должно иметь значения — распад, который происходит глубоко внутри, такой же, и поэтому мы ожидаем увидеть тот же эффект, если действительно есть новая сила.

И это именно то, что мы видели. На этот раз распады мюонов происходили только примерно на 70% чаще, чем распады электрона, но с большей ошибкой, что означает, что результат составляет примерно "две сигмы" от стандартной модели (около двух из сотен шансов быть статистической аномалией). Это означает, что, хотя результат сам по себе не является достаточно точным, чтобы претендовать на твердое доказательство существования новой силы, он очень близко совпадает с предыдущим результатом и добавляет дополнительную поддержку идее о том, что мы можем оказаться на грани серьезного открытия.

Конечно, надо быть осторожными. Предстоит многое проверить, прежде чем ученые смогут с некоторой степенью уверенности заявить, что действительно наблюдали влияние пятой силы природы. Исследователи в настоящее время усердно работают над тем, чтобы выжать как можно больше информации из существующих данных, в то же время активно готовясь к первому запуску модернизированного эксперимента LHCb. Между тем, другие эксперименты на LHC, а также эксперимент Belle 2 в Японии приближаются к тем же измерениям. Приятно думать, что в следующие несколько месяцев или лет может открыться новое окно в отношении самых фундаментальных ингредиентов нашей Вселенной.

 ← Читайте нас в Facebook