“Jaunās fizikas” pazīmes parādījās divos lielos eksperimentos. Tevatron Hadron Collider reģistrēja daļiņas tur, kur tām nevajadzētu būt, un PAMELA kosmosa eksperiments atrada tumšās vielas daļiņu sabrukšanas pēdas. Abi fakti labi iekļaujas teorijā, ka "tumšais spēks" pastāv
Kamēr Lielais hadronu sadursme (LHC) pēc lielām septembra avārijām gatavojas remontam, amerikāņu tevatrons, kurš pēdējos mēnešus ir saglabājies kā visspēcīgākais paātrinātājs uz planētas, fiziķiem ir uzrādījis negaidītu pārsteigumu. Pagājušās nedēļas beigās CDF līdzstrādnieki, kas strādāja ar tāda paša nosaukuma milzu Tevatron daļiņu detektoru, publicēja pirmsdruku, aprakstot kaut ko, kas pārsniedz gandrīz svēto fiziķu elementāro daļiņu standarta modeli.
Ja izrādās, ka šis signāls nav kaut kā nepamanīts fona efektam, šis atklājums būs pirmais zemes pierādījums par standarta modeļa ierobežojumiem.
Zemes tādā nozīmē, ka astrofiziķiem jau sen ir zināma tumšā matērija un tumšā enerģija, kas arī neiederas standarta modelī. Tiesa, par tumšo vielu veidojošo daļiņu īpašībām praktiski nekas nav zināms.
Tevatrons un papildu muoni
Izmantojot CDF detektoru, fiziķi pēta protonu sadursmē radušās daļiņas - pozitīvi lādētas daļiņas, kas veido visus atomu kodolus, un antiprotoni - to negatīvi lādētos antipodus. Tevatron akseleratorā, kā norāda nosaukums, šīs daļiņas tiek paātrinātas līdz enerģijai gandrīz 1 TeV jeb 1000 GeV - tūkstoš miljardu elektronu voltu, un attiecīgi sadursmes enerģija ir gandrīz 2000 GeV, kas ļauj ražot dažādas, pat ļoti masīvas elementārdaļiņas.
Tomēr nav pat iespējams vienkārši noteikt lielākās daļas interesējošo daļiņu esamību. Parasti tie ir nestabili un nelielā sekundes daļā pārvēršas par vairākām vieglām daļiņām. Detektors mēra sabrukšanas produktu īpašības, un tad fiziķi saskaņā ar labi zināmo metaforu "mēģina atjaunot pulksteņrādītāja struktūru, pārbaudot pulksteņa pārnesumu fragmentus, kas sadūrās gandrīz gaismas ātrumā".
Viens no populārākajiem šāda veida "rīkiem" ir muons. Savu īpašību ziņā mūoni ir ļoti līdzīgi parastajiem elektroniem, kas riņķo ap atomu kodoliem. Tomēr muoni ir daudz masīvāki, un tāpēc tiem ir īpaša vērtība eksperimentālajiem fiziķiem. Pirmkārt, ir grūtāk tos "maldināt", saskaroties ar detektora protoniem un elektroniem, un, otrkārt, pašās sadursmēs viņu piedzimst mazāk, un viņu pēdas detektorā ir vieglāk izjaukt nekā daudzu elektronu savijušās trajektorijas.
Viena no daļiņām, kas aktīvi pētīta, izmantojot muonus, ir tā sauktais B-mezons, kas ietver smago b-kvarku (vai antikvarku).
Un šeit muoni ilgu laiku vadīja eksperimentētājus pa degunu.
Kvarku struktūras un mijiedarbības teorija - kvantu hromodinamika - ļauj aprēķināt B-mezonu veidošanās varbūtību un to līdzdalību dažādās mijiedarbībās. Tādējādi ir iespējams novērtēt mūonu skaitu, kas dzims šo daļiņu sabrukšanas laikā. Tomēr eksperimentā tika saražots daudz vairāk muonu, nekā plānots. Turklāt cita B-mezonu īpašību mērīšanas metode parādīja rezultātus, kas labāk un labāk saskan ar teoriju. Tātad eksperimentētājiem bija arvien mazāk iemeslu pārmest teorētiķiem, ka viņi nezina, kā skaitīt (un aprēķini kvantu hromodinamikā ir ārkārtīgi sarežģīti).
Iemesls šīm neatbilstībām ilgu laiku palika noslēpums, līdz zinātnieki uzzināja, ka dažiem muoniem, kurus fiziķi ilgu laiku izmantoja B-mezonu sabrukšanas produktiem, patiesībā tiem nebija nekāda sakara. Fakts ir tāds, ka B-mezons dzīvo ļoti īsu laiku un, dzimis protonu un antiprotonu sadursmē, izdodas aizlidot no vakuuma caurules ass, kur notiek sadursmes, tikai par 1–2 mm. Šeit tas sadalās muonos. Kad zinātnieki izdomāja, kur atrodas muoni, kurus reģistrēja viņu detektors, tika atrisināta B-mezonu problēma: kā izrādījās, daži no tiem radās daudz tālāk no ass, un šo “papildu muonu” ieguldījums galarezultātā precīzi izskaidroja neatbilstību teorijai.
Bet no kurienes nāk šie "papildu" muoni?
Daži no tiem nāk 3 mm attālumā no ass, piecos un septiņos; daži atrodas pilnīgi ārpus vakuuma caurules, kas tiešām neiederas nevienā vārtā.
Ar šīm daļiņām ir saistīta topošā fiziskā "sajūta". Šis godājamajai zinātnei reti sastopamais vārds patiesībā vislabākajā veidā raksturo teorētiķu un eksperimentētāju satraukumu. Diskusijas par realitāti signāliem atrasti ko CDF sadarbībā jau nikns uz profesionālo blogus fiziķi, un tīmekļa vietnē elektronisko nerecenzētus Kornela Universitātē jau trešo dienu pēc kārtas, vairāk un vairāk teorētiskie skaidrojumi par to, ko viņi redzēja parādās.
Jaunas daļiņas?
Principā nevajadzīgu vai, kā saka fiziķi, "fona" daļiņu parādīšanās iemesli var būt ļoti dažādi, un lielākā daļa CDF sadarbības raksta ir veltīta tādu signāla parādīšanās iespējamo iemeslu analīzei, kas nepārsniedz "jauno fiziku" ārpus standarta. modeļiem. Varbūt mēs neņēmām vērā citas daļiņas, no kurām veidojas muoni, piemēram, kosmiskos starus, vai varbūt, lai mūonus ņemtu citus Tevatron ražoto daļiņu sabrukšanas produktus? Visbeidzot, varbūt paši detektorā esošie signāli, ko mēs uztveram pēc muonu pēdām, nav tādi - troksnis, statistiskās svārstības, niknu metožu artefakti, kas saistīti ar eksperimentālo rezultātu matemātisko apstrādi?
Reklāmas video:
Pēc pēdējā darba autoru domām, viņiem neizdevās atrast "standarta" skaidrojumu.
Jāatzīmē, ka gandrīz trešdaļa no sadarbības - apmēram 200 no 600 cilvēkiem - atteicās likt savus parakstus rakstam, kuram gandrīz sešus mēnešus tika veikts “iekšējais audits”. Līdz…
Viss izskatās tā, it kā viņiem būtu izdevies atrast kādas jaunas daļiņas esamības pazīmes, kas dzīvo daudz ilgāk nekā B-mezons, un tai nav vietas fizikā, kuru mēs zinām. Tomēr zinātnieki joprojām atturas no šāda tieša paziņojuma: veselas paaudzes fiziķu pieredze, kas atkal un atkal ir pārliecināta par standarta modeļa piemērojamību šķietami pilnīgi neizskaidrojamām parādībām, liek sevi izjust. Bet nav iespējams vienkārši ignorēt gandrīz 100 tūkstošus notikumu, ko ierakstījis viens no Zemes joprojām visspēcīgākā paātrinātāja labākajiem instrumentiem.
"Extra" muonu īpašības pašas par sevi ir pārsteidzošas. Viens no pārsteidzošākajiem ir tas, ka viņi ļoti bieži piedzimst “paciņās” - nevis pa vienai daļiņai vienlaikus, bet gan pa divām, trim, pat astoņām vienlaicīgi. Turklāt, kā likums, no dzimšanas brīža viņi izlidoja nevis visos virzienos, bet aptuveni vienā un tajā pašā virzienā - zinātnieki pat lieto terminu “muon jet”. Un jaunas nezināmas daļiņas raksturīgā enerģija - ja tā patiešām pastāv - ir vairākas GeV. Citiem vārdiem sakot, "jaunā fizika" - ja mēs patiešām to sākam atšķirt muonu miglā - sākas ar enerģijām nevis tūkstošiem GeV, uz kurām tiek vērsti tādi monstri kā LHC, bet daudz agrāk.
Un šīs īpašības pārsteidzoši tuvina zemes paātrinātāja rezultātus ar datiem, kas publicēti tikai dažas dienas iepriekš no kosmosa daļiņu detektora PAMELA.
Pozitronu frakcija kā enerģijas funkcija // PAMELA Group, arXiv.org
PAMELA eksperimenta rezultāti
Starptautiskais pētnieciskais transportlīdzeklis PAMELA uz Krievijas mākslīgā satelīta "Resurs-DK1" ticami reģistrēja augstas enerģijas pozitronu pārsniegumu lādētas telpas plūsmā …
Pēc daudzu astrofiziķu domām, augstas enerģijas pozitronu (elektronu daļiņu pret elektroniem) pārpalikums kosmiskajos staros rodas noslēpumainas tumšās vielas daļiņu sabrukšanas vai iznīcināšanas dēļ. Tas ir vēl viens fizikas elements, kas pārsniedz standarta modeli, par kura esamību (un pat masu dominēšanu) astronomi jau sen zina, bet nevar pateikt neko vērtīgu: tieši tāpēc tā ir tumšā matērija, ka tā nav redzama, un tās klātbūtne izdalās tikai caur gravitācijas spēku.
Tumšā vara
Kā izrādījās, Prinstonas, Hārvardas un Ņujorkas teorētiķu kvartetam jau ir PAMELA rezultātu skaidrojums, kas lieti noderēja ar jaunajiem Tevatron datiem. Pēc Nima Arkanihameda un viņa kolēģu vārdiem, viņu supersimetriskā modeļa ietvaros tiek iegūts vienots un dabisks izskaidrojums pozitronu pārsniegumam, ko ticami mēra ar PAMELA aparātu, tik tikko pamanāmam gamma staru pārpalikumam, kas šķietami nāk no nekurienes, un galaktikas centra miglainajam mirdzumam gamma un radioviļņi, ko ierakstījuši citi astrofiziski satelīti.
Saskaņā ar modeli tumšās vielas daļiņu masa ir aptuveni 1000 GeV, un tās nepiedalās mūsu zināmajās mijiedarbībās. Tomēr tie darbojas viens pret otru ar maza darbības attāluma "tumšā" spēka palīdzību, kuru pārnēsā cita tumša daļiņa ar masu aptuveni 1 GeV. Citiem vārdiem sakot, trim parastajiem mijiedarbības veidiem, kas darbojas tikai uz parasto matēriju (elektromagnētisko un kodolu, vājo un spēcīgo), tiek pievienots vēl viens, kas darbojas tikai tumšās matērijas pasaulē. Smagums, kā parasti, stāv viens no otra, savienojot abas pasaules.
Teorētiķiem bija vajadzīgs “tumšs” spēks, lai tumšās vielas daļiņas saistītu ar sava veida “atomiem”, kuros vienai no tumšajām daļiņām ir negatīvs “tumšais lādiņš”, bet otrai ir pozitīvs “tumšais lādiņš”. Tikai "atomu" veidošanās ļauj tumšajai vielai iznīcināt pietiekami intensīvi, lai izskaidrotu astrofizisko novērojumu rezultātus (tas ir tā saucamais Sommerfelda mehānisms).
Tomēr daļiņa, kas nes "tumšo" spēku, jau var tieši sabrukt ar parasto daļiņu izstarošanu, un tieši šī daļiņa, pēc Arkanihameda un viņa kolēģu domām, var būt atbildīga par "papildu" muonu parādīšanos.
Turklāt ar tumšu lādiņu uzlādētu tumšu daļiņu sadalīšanās dabiski norisinās kaskādē, līdz tā sasniedz vieglāko, stabilo tumšo daļiņu, kurai nav par ko samazināties. Katrā šīs kaskādes pakāpienā ir iesaistīta daļiņa - tumša spēka nesējs, un tāpēc katrā solī var parādīties papildu muons. Tik daudz par muoniem "paciņās". Nu tas, ka viņi visi izlido vienā virzienā, vienkārši ir saistīts ar faktu, ka sagruvušā daļiņa ātri pārvietojas - tāpēc svētku uguņošanas lādiņi, eksplodējot pirms to trajektorijas augstākā punkta sasniegšanas, uz priekšu izmet veselas spilgtas gaismas strūklakas. Tik daudz par "strūklu".
Tomēr datu publicēšana, ko veiks CDF un PAMELA sadarbība, neapšaubāmi novedīs pie desmitiem, ja ne simtiem iespējamo skaidrojumu parādīšanās nākamajos mēnešos. Tāpēc, iespējams, nav vērts pakavēties pie Arkanihameda modeļa. Līdz šim viņa izceļas tikai ar to, ka, interpretējot gan šos, gan citus datus, viņa ieradās tiesā.
Protams, iespējams, ka abi eksperimentālie rezultāti saņems vairāk triviālu skaidrojumu. "Papildu muoni" var izrādīties nekas cits kā milzīga CDF instalācijas nepamanīts instrumentālais efekts, un mūsu galaktikā neitronu zvaigžņu tuvumā var rasties "papildu pozitroni".
Bet izredzes ir intriģējošas. Tumšās matērijas pasaulē, kas vēl nesen šķita kā bezveidīgs duļķainums, aiz kura astronomi slēpj savu neizpratni par pasaules struktūru, sāka veidoties struktūra - dažas mijiedarbības, "tumšie lādiņi", "tumšie atomi". Varbūt fizika vēl nav beigusies, un jaunajām zinātnieku paaudzēm būs ko studēt "tumšajā pasaulē".
