Zinātnieki, kas strādā CMS sadarbībā, ziņoja par nezināmas daļiņas atklāšanu, kas sadalās muonos ar kopējo masu 28 GeV. Pašlaik neviens teorētisks modelis neprognozē šīs daļiņas esamību, taču zinātnieki cer, ka šī anomālija nav statistiskas kļūdas rezultāts. Novērošanas priekšspiedums ir pieejams arXiv.org krātuvē. Mēs jums detalizēti pastāstīsim par pētījumu, kas var izrādīties gan atklājums atklājumam, gan vēl viens dvesma.
Hellish spole
Kompaktais Muon Solenoid jeb CMS (Compact Muon Solenoid) ir lielu daļiņu detektors, kas atrodas Lielajā hadronu sadursmē (LHC). Šī milzu ierīce ar 15 metru diametru un 15 tūkstošu tonnu svaru ir paredzēta, lai meklētu Jauno fiziku - fiziku ārpus standarta modeļa. Ja standarta modelis apraksta visu zināmo elementāro daļiņu īpašības (un dažas vēl nav apstiprinātas), tad hipotēzes Jaunās fizikas ietvaros mēģina izskaidrot dažādas parādības, kas zinātniekiem joprojām paliek noslēpums.
Saskaņā ar vienu no hipotēzēm - supersimetriju - katra zināmā elementārā daļiņa atbilst superpartnerim ar smagāku masu. Piemēram, elektrona partneris, kas ir fermions, ir selektrona bozons, un glikona (kas ir bozons) partneris ir gluino fermions. Tomēr rezultātu trūkums, lai apstiprinātu supersimetriju, ir novedis pie tā, ka arvien vairāk un vairāk zinātnieku pamet šo modeli.
Detektora iekšpusē notiek protonu un protonu sadursmes. Katru protonu veido trīs kvarki, kurus kopā tur glona lauks. Lielā ātrumā, kas ir salīdzināms ar gaismas ātrumu, glikona lauks pārvēršas par daļiņu “zupu” - gluoniem. Protonu sadursmē ar galvu tikai daži kvarki vai gluoni mijiedarbojas viens ar otru, pārējās daļiņas lido bez traucējumiem. Notiek reakcija, kas rada daudzas īslaicīgas daļiņas, un dažādi CMS detektori reģistrē to sabrukšanas produktus, ieskaitot muonus. Mēnesi atgādina elektronus, bet 200 reizes masīvāki.
Ar detektoru palīdzību, kas atrodas ārpus solenoīda, zinātnieki spēj ar lielu precizitāti izsekot muonu trajektorijas un noteikt, kas tieši izraisīja noteiktas daļiņas parādīšanos. Lai palielinātu izredzes radīt retu daļiņu, kas sadalās muonos, ir nepieciešams liels skaits protonu-protonu sadursmju. Tas ģenerē astronomisku datu daudzumu (apmēram 40 terabaiti sekundē), un, lai tajos ātri atrastu kaut ko neparastu, tiek izmantota īpaša sprūda sistēma, kas izlemj, kādu informāciju ierakstīt.
Reklāmas video:
Spoks iekšā
CMS kopā ar detektoru ATLAS, kas arī atrodas LHC, tika izmantots, lai meklētu Higsa bozonu, ko paredzēja standarta modelis. Šī daļiņa ir atbildīga par W- un Z-bozu masu (vājas mijiedarbības nesēji) un masas trūkumu fotonā un gluonā. 2012. gadā tika atklāts Higsa bozons ar masu 125 GeV. Tomēr zinātnieki uzskata, ka ārpus standarta modeļa var būt arī citi zemākas masas Higsa bozoni. Viņus prognozē divkāršs Higsa modelis un NMSSM (nākamais līdz minimālais supersimetriskais standarta modelis). Neskatoties uz visiem eksperimentālajiem testiem, zinātnieki joprojām nav spējuši pierādīt vai atspēkot šīs hipotēzes.
CMS zinātnieki meklē citas gaismas eksotiskas daļiņas. Tajos ietilpst, piemēram, tumšie fotoni - pilnīgi jaunas pamata mijiedarbības nesēji, kas atgādina elektromagnētiskos un ir analogi tumšās vielas fotoniem. Vēl viena hipotētiska daļiņa ir Z-boza tumšais analogs.
Fiziķi ir veikuši eksperimentu, lai atrastu pierādījumus par gaismas bozona esamību, kuru izstaro diezgan jauki kvarki (b-kvarki) un sadalās muonā un anti-muonā. Eksperimenta laikā ar protonu-protonu sadursmēm ar enerģiju masas sistēmas centrā (sistēmā, kurā daļiņām ir vienāds un pretēji vērsts moments), kas ir vienāda ar 8 TeV, tika reģistrēti vairāki notikumi, kas, iespējams, ir saistīti ar hipotētisku bozonu.
Pirmais notikumu veids ietver b-kvarku strūklas parādīšanos detektora centrā un tā priekšējā daļā, bet otrais - divu strūklu parādīšanos centrā un nevis vienu strūklu priekšējā daļā. Abos gadījumos tika novērots to metožu pāru pārpalikums, un pāru masa, kā parādīja turpmākā analīze, sasniedza 28 GeV. Muona pāru skaita atšķirība no fona vērtībām pirmā veida notikumiem ir 4,2 standartnovirze (sigma), bet otrā veida notikumiem tā ir 2,9 sigma.
Fizikas nāve
Daļiņu fizikā piecu sigmu atšķirība norāda uz noteiktu anomāliju, kas nevarētu rasties nejauši. Tomēr, ja atšķirība ir 3-5 sigmu diapazonā, tad fiziķi saka, ka tas norāda tikai uz jaunas daļiņas esamību. Pēdējā gadījumā ir jāiegūst daudz vairāk datu, lai apstiprinātu (vai atspēkotu) rezultātu, lai izslēgtu kļūdas datu apstrādē un interpretācijā. Ja viss tiek apstiprināts, tad mēs varam teikt, ka muoni rodas Jaunās fizikas daļiņas sabrukšanas dēļ.
Šī nav pirmā reize, kad LHC tiek novērota parādība, kas neatbilst standarta modelim. 2016. gadā fiziķi paziņoja par rezonanses pazīmju atklāšanu, kas atbilst masīvai īslaicīgai daļiņai. Tas tika reģistrēts 2015. gadā kā fotonu pāru pārsvars ar kopējo masu 750 GeV, kurā šī daļiņa it kā sadalās. Citiem vārdiem sakot, šai daļiņai vajadzēja būt sešas reizes masīvākai nekā Higsa bozonam. Tomēr vēlāk sadursmē savākto datu analīze šo rezultātu neapstiprināja.
Līdz šim fiziķi nav atraduši ticamas pēdas par Jaunās fizikas esamību. Tomēr nav šaubu, ka tam vajadzētu pastāvēt, jo standarta modelis nespēj izskaidrot tādas parādības kā fermiona masu hierarhijas problēma (tās risināšanai tiek ieviests hipotētisks Goldstone bozons), masas esamība neitrīnos, matērijas un antimateriāla asimetrija, tumšās enerģijas izcelsme un citas. Tumšās vielas klātbūtne Visumā prasa veselu hipotētisko daļiņu klasi ar eksotiskām īpašībām, kas to veido. Paradoksāli, bet viss, ko zinātnieki līdz šim ir spējuši, ir eksperimentāli apstiprināt izsmelto Standarta modeli.
Daži zinātnieki ierosina, ka, ja ir iespējams pierādīt Jauno fiziku, tad tas jādara ļoti tuvā nākotnē, tuvāko gadu laikā. Pretējā gadījumā būs iespējams nopietni baidīties, ka cilvēce vairs nespēs veikt nozīmīgus atklājumus. Tas ir iepriecinoši, ka pēdējā laikā arvien vairāk anomāliju ir atrastas paātrinātājos, norādot, ka zinātnieki atrodas uz kaut ko pilnīgi jaunu.
Aleksandrs Enikejevs