Príznaky „novej fyziky“sa objavili v dvoch hlavných experimentoch. Tevatron Hadron Collider zaznamenával častice tam, kde by nemali byť, a vesmírny experiment PAMELA zistil stopy rozpadu častíc temnej hmoty. Obidve fakty dobre zapadajú do teórie, že existuje „temná sila“
Kým sa veľký hadrónový urýchľovač (LHC) pripravuje na opravy po veľkej septembrovej havárii, americký tevatron, ktorý prežil posledné mesiace ako najsilnejší urýchľovač na planéte, priniesol fyzikom neočakávané prekvapenie. Koncom minulého týždňa spolupracovníci CDF pracujúci na obrovskom detektore častíc Tevatron s rovnakým menom uverejnili predtlač, ktorá popisuje niečo, čo presahuje takmer posvätný štandardný model elementárnych častíc pre fyzikov.
Ak sa ukáže, že tento signál nie je nejaký nezohľadnený na pozadí, tento objav bude prvým pozemským dôkazom obmedzení štandardného modelu.
Pozemské v tom zmysle, že astrofyzici už dávno poznali temnú hmotu a temnú energiu, ktoré sa tiež nehodia do štandardného modelu. Pravda, o vlastnostiach častíc, ktoré tvoria temnú hmotu, nie je prakticky nič známe.
Tevatron a ďalšie mióny
S detektorom CDF fyzici študujú častice produkované zrážkou protónov - pozitívne nabité častice, ktoré tvoria všetky atómové jadrá, a antiprotóny - ich negatívne nabité antipódy. V urýchľovači Tevatron, ako naznačuje jeho názov, sa tieto častice urýchľujú na energie takmer 1 TeV alebo 1 000 GeV - tisíc miliárd elektrónvoltov, a energia zrážky je teda takmer 2000 GeV, čo umožňuje vyrábať rôzne, dokonca veľmi masívne elementárne častice.
Nie je však ani možné jednoducho opraviť existenciu väčšiny požadovaných častíc. Spravidla sú nestabilné a menia sa na niekoľko ľahších častíc v zlomku sekundy. Detektor meria vlastnosti produktov rozpadu a fyzici potom v súlade so známou metaforou „pokúsia sa obnoviť štruktúru strojčeka a skúmať úlomky ozubených kolies, ktoré sa zrážali rýchlosťou blízkej svetlu“.
Jedným z najpopulárnejších zariadení tohto druhu je mión. Čo sa týka ich vlastností, mióny sú veľmi podobné bežným elektrónom obiehajúcim atómové jadrá. Móny sú však omnoho masívnejšie, a preto majú pre experimentálnych fyzikov mimoriadny význam. Po prvé, je ťažšie ich „uviesť do omylu“, keď sa stretnú s protónmi a elektrónmi detektora, a po druhé, v samotných zrážkach sa narodí menej z nich a je ľahšie rozoznať ich stopy v detektore ako zapletené trajektórie mnohých elektrónov.
Jednou z častíc, ktorá bola aktívne študovaná pomocou miónov, je takzvaný B-mezón, ktorý obsahuje ťažký b-kvark (alebo antikvark).
A tu mióny po dlhú dobu viedli experimentátorov nosom.
Teória štruktúry a interakcie kvarkov - kvantová chromodynamika - vám umožňuje vypočítať pravdepodobnosť produkcie B-mezónov a ich účasť na rôznych interakciách. Preto je možné odhadnúť počet miónov, ktoré sa narodia počas rozpadu týchto častíc. V experimente sa však vyrobilo oveľa viac miónov, ako sa plánovalo. Okrem toho ďalší spôsob merania vlastností B-mezónov ukázal výsledky, ktoré sú v lepšej a lepšej zhode s teóriou. Experti tak mali čoraz menej dôvodov obviňovať teoretikov z toho, že nevedia, ako počítať (a výpočty v kvantovej chromodynamike sú extrémne ťažké).
Dôvodom týchto nezrovnalostí ostávalo tajomstvo po dlhú dobu, kým vedci nezistili, že niektoré z miónov, ktoré fyzici dlho brali pre produkty rozkladu B-mezónov, s nimi v skutočnosti nemali nič spoločné. Faktom je, že B-mezón žije veľmi krátky čas a po narodení v zrážke protónov a antiprotónov dokáže odletieť od osi vákuovej trubice, kde dochádza ku zrážkam, iba o 1–2 mm. Tu sa rozpadá na mióny. Keď vedci zistili, kde mióny zaznamenali ich detektory, problém B-mezónov sa vyriešil: ako sa ukázalo, niektoré z nich vyvstali oveľa ďalej od osi a príspevok týchto „extra miónov“k konečnému výsledku presne vysvetlil nesúlad s teóriou.
Ale odkiaľ pochádzajú tieto „extra“mióny?
Niektoré z nich pochádzajú 3 mm od osi, päť a sedem; niektoré sú úplne mimo vákuovú trubicu, ktorá sa naozaj nehodí do žiadnej brány.
S týmito časticami je spojený vznikajúci fyzický „pocit“. Toto slovo, zriedkavé pre ctihodnú vedu, v skutočnosti najlepšie vystihuje vzrušenie teoretikov a experimentátorov. Diskusie o realite signálov zistených pri spolupráci CDF už prebiehajú na profesionálnych blogoch fyzikov a na webových stránkach elektronických predtlačov na Cornell University už tretí deň v rade sa stále viac a viac teoretických vysvetlení toho, čo videli.
Nové častice?
V zásade môže existovať veľké množstvo dôvodov na objavenie sa zbytočných alebo, ako hovoria fyzici, „pozadie“častíc a väčšina článku spolupráce CDF sa venuje analýze možných dôvodov výskytu signálu, ktorý sa netýka „novej fyziky“nad rámec štandardu. modely. Možno sme nebrali do úvahy niektoré ďalšie častice, z ktorých sa rodia mióny - napríklad kozmické lúče, alebo možno berieme na mióny ďalšie produkty rozkladu častíc produkovaných v Tevatrone? Nakoniec, možno signály v samotnom detektore, ktoré berieme na stopy miónov, nie sú také - šum, štatistické výkyvy, artefakty zúrivých metód matematického spracovania experimentálnych výsledkov?
Propagačné video:
Podľa autorov poslednej práce sa im nepodarilo nájsť „štandardné“vysvetlenie.
Je potrebné poznamenať, že takmer tretina spolupráce - približne 200 zo 600 ľudí - odmietla dať svoj podpis článku, ktorý prešiel „vnútorným auditom“takmer šesť mesiacov. Do …
Všetko vyzerá, akoby sa im podarilo nájsť náznaky existencie nejakej novej častice, ktorá žije oveľa dlhšie ako B-mezón, a vo fyzike, ktorú poznáme, nemá miesto. Vedci sa však stále zdržiavajú tohto priameho tvrdenia: pociťuje sa skúsenosť celej generácie fyzikov, znovu a znovu presvedčená o použiteľnosti štandardného modelu na zdanlivo úplne nevysvetliteľné javy. Nie je však možné jednoducho ignorovať takmer 100 000 udalostí zaznamenaných jedným z najlepších nástrojov stále najmocnejšieho urýchľovača na Zemi.
Vlastnosti „extra“miónov sú samy o sebe úžasné. Jedným z najvýraznejších je, že sa veľmi často narodili v „baleniach“- nie iba v jednej častici, ale v dvoch, troch, dokonca ôsmych súčasne. Okrem toho spravidla od bodu, v ktorom sa narodili, nelietali vo všetkých smeroch, ale v približne rovnakom smere - vedci dokonca používajú výraz „iónový prúd“. A charakteristická energia novej neznámej častice - ak skutočne existuje - je niekoľko GeV. Inými slovami, „nová fyzika“- ak ju skutočne začneme rozlišovať v miónovej hmle - začína energiami nie v tisícoch GeV, na ktoré sú monštrá ako LHC nasmerované, ale oveľa skôr.
A tieto vlastnosti prekvapivo približujú výsledky z pozemného urýchľovača s údajmi uverejnenými o pár dní skôr z vesmírneho antičasticového detektora PAMELA.
Pozitronová frakcia ako funkcia energie // PAMELA Group, arXiv.org
Výsledky experimentu PAMELA
Medzinárodné výskumné vozidlo PAMELA na palube ruského umelého satelitu Resurs-DK1 spoľahlivo zaznamenalo prebytok nabitých pozitrónov v prúde nabitého priestoru …
Podľa mnohých astrofyzikov prebytok vysokoenergetických pozitrónov (antičastíc na elektróny) v kozmických lúčoch vzniká rozpadom alebo zničením záhadných častíc temnej hmoty. Toto je ďalší prvok fyziky, ktorý prekračuje štandardný model, ktorého existenciu (a dokonca aj nadvládu podľa hmotnosti) astronómovia už dávno poznali, ale nemôže povedať nič, čo by stálo za to: preto je to temná hmota, že nie je viditeľná a jej prítomnosť dáva iba gravitáciou.
Dark Power
Ako sa ukázalo, kvarteto teoretikov z Princetonu, Harvardu a New Yorku už má vysvetlenie výsledkov PAMELA, ktoré sa hodili s novými údajmi z Tevatronu. Podľa Nima Arkanihameda a jeho kolegov sa v rámci ich supersymetrického modelu získa jednotné a prirodzené vysvetlenie pre nadbytok pozitrónov spoľahlivo meraných prístrojom PAMELA, jemného prebytku gama lúčov, ktoré pochádzajú zdanlivo od nikoho, a pre hmlistú žiaru stredu galaxie v gama a Rádiové lúče zaznamenané inými astrofyzikálnymi satelitmi.
V súlade s modelom majú častice tmavej hmoty hmotnosť približne 1 000 GeV a nezúčastňujú sa na interakciách, ktoré poznáme. Na seba však pôsobia pomocou „temnej“sily krátkeho dosahu, ktorú prenáša ďalšia temná častica s hmotnosťou približne 1 GeV. Inými slovami, k trom obvyklým druhom interakcie, ktoré pôsobia iba na obyčajnú hmotu (elektromagnetickú a jadrovú, slabú a silnú), sa pridá ešte jedna, ktorá pôsobí iba vo svete temnej hmoty. Gravitácia ako vždy stojí oddelene a spája obidva svety.
Teoretici potrebovali „temnú“silu, aby spojili častice temnej hmoty do určitého „atómu“, v ktorom jedna z temných častíc má negatívny „temný náboj“a druhý má pozitívny „temný náboj“. Iba tvorba „atómov“umožňuje, aby sa temná hmota dostatočne intenzívne zničila, aby vysvetlila výsledky astrofyzikálnych pozorovaní (toto je takzvaný Sommerfeldov mechanizmus).
Avšak častica, ktorá nesie „temnú“silu, sa môže rozpadnúť už priamo s emisiou obyčajných častíc, a to je podľa Arkanihameda a jeho kolegov práve táto častica, ktorá môže byť zodpovedná za objavenie „extra“miónov.
Okrem toho rozklad tmavých častíc nabitých temným nábojom prirodzene pokračuje v kaskáde, kým nenarazí na najľahšiu najstabilnejšiu tmavú časticu, do ktorej sa nemá nič rozpadať. Každý krok tejto kaskády zahrnuje časticu - nosič temnej sily, a preto sa v každom kroku môže objaviť ďalší mión. Toľko pre mióny v „baleniach“. Skutočnosť, že všetci lietajú rovnakým smerom, je jednoducho spôsobená tým, že rozpadajúca sa častica sa rýchlo pohybuje - takže náboje slávnostného ohňostroja, ktoré vybuchnú skôr, ako dosiahnu najvyšší bod svojej trajektórie, vyhodia celé fontány jasných svetiel vpred. Toľko pre „prúd“.
Zverejňovanie údajov v spolupráci CDF a PAMELA však v nasledujúcich mesiacoch nepochybne povedie k vzniku desiatok, ak nie stoviek možných vysvetlení. Nemusí to stáť za to bývať na Arkanihamedovom modeli. Doteraz sa vyznačuje iba skutočnosťou, že sa pri výklade týchto, ako aj iných údajov ukázala byť na súde.
Samozrejme je možné, že obidve experimentálne výsledky dostanú triviálne vysvetlenia. „Extra mióny“sa môžu ukázať ako nič iné ako nezohľadnené pre inštrumentálny účinok obrovskej inštalácie CDF a „extra pozitróny“sa môžu generovať v blízkosti neutrónových hviezd v našej Galaxii.
Vyhliadky sú však zaujímavé. Vo svete temnej hmoty, ktorá sa donedávna javila ako beztvaré zakalenie, za ktorým astronómovia skrývajú svoje nepochopenie štruktúry sveta, sa začala objavovať štruktúra - nejaké interakcie, „tmavé náboje“, „tmavé atómy“. Možno fyzika ešte neskončila a nové generácie vedcov budú mať čo študovať v „temnom svete“.