Semnele unei „noi fizici” au apărut în două experimente majore. Tevatron Hadron Collider a înregistrat particule acolo unde nu ar trebui să fie, iar experimentul spațial PAMELA a găsit urme de descompunere a particulelor de materie întunecată. Ambele fapte se încadrează bine în teoria conform căreia „forța întunecată” există
În timp ce Big Hadron Collider (LHC) se pregătește pentru reparații după un accident major din septembrie, americanul Tevatron, care a supraviețuit ultimele luni ca cel mai puternic accelerator de pe planetă, le-a prezentat fizicienilor cu o surpriză neașteptată. La sfârșitul săptămânii trecute, colaboratorii colaborării CDF care lucrează la detectorul de particule uriaș Tevatron cu același nume au publicat o amprentă care descrie ceva care depășește modelul standard aproape sacru de particule elementare pentru fizicieni.
Dacă acest semnal se dovedește a nu fi necunoscut pentru efectul de fundal, această descoperire va fi prima dovadă pământească a limitărilor modelului standard.
Terestre în sensul că astrofizicienii cunosc de multă vreme întunericul și energia întunecată, care de asemenea nu se încadrează în modelul standard. Este adevărat, practic nu se cunoaște nimic despre proprietățile particulelor care formează materia întunecată.
Tevatron și muți în plus
Cu detectorul CDF, fizicienii studiază particulele produse de coliziunea protonilor - particule încărcate pozitiv care alcătuiesc toate nucleele atomice și antiprotonii - antipodele lor încărcate negativ. În acceleratorul Tevatron, așa cum sugerează și numele său, aceste particule sunt accelerate la energii de aproape 1 TeV, sau 1000 GeV - o mie de miliarde de electroni volți, iar energia de coliziune este, în consecință, aproape 2000 GeV, ceea ce face posibilă crearea unei varietăți de, chiar foarte masive. particule elementare.
Cu toate acestea, nici măcar nu este posibil să remediem pur și simplu existența majorității particulelor de interes. De regulă, acestea sunt instabile și se transformă în mai multe particule mai ușoare într-o fracțiune mică de secundă. Proprietățile produselor de descompunere măsoară detectorul, iar fizicienii, apoi, în conformitate cu metafora binecunoscută, „încearcă să refacă lucrările de ceas, examinând fragmentele de angrenaje de ceas care s-au ciocnit la viteză aproape de lumină”.
Unul dintre cele mai populare „angrenaje” de acest fel este muonul. În ceea ce privește proprietățile lor, muii sunt foarte asemănătoare cu electronii obișnuiți care orbitează nucleele atomice. Cu toate acestea, muioanele sunt mult mai masive și, prin urmare, sunt de o valoare deosebită pentru fizicienii experimentali. În primul rând, este mai dificil să le „induceți în eroare” atunci când întâlnesc protonii și electronii detectorului și, în al doilea rând, în coliziunile în sine, mai puțini dintre ei se nasc, și este mai ușor să-și facă urmele în detector decât traiectoriile încurcate de numeroși electroni.
Una dintre particulele care au fost studiate activ folosind muoni este așa-numitul meson B, care include un b-quark greu (sau antiquark).
Și aici muioanele îndelungate au condus experimentatorii pe nas.
Teoria structurii și interacțiunii quarks - cromodinamica cuantică - vă permite să calculați probabilitatea producției de mesoane B și participarea acestora la diferite interacțiuni. Prin urmare, este posibil să estimați numărul de muoni care se vor naște în timpul degradării acestor particule. Cu toate acestea, în experiment, au fost produse mult mai mulți muoni decât a fost planificat. Mai mult, o altă metodă de măsurare a proprietăților B-mesonilor a arătat rezultate care sunt în acord și mai bine cu teoria. Așa că experimentatorii au avut din ce în ce mai puțin motive să-i acuze pe teoreticieni că nu știu să numere (iar calculele în cromodinamica cuantică sunt extrem de dificile).
Motivul acestor discrepanțe a rămas un mister mult timp, până când oamenii de știință au aflat că o parte din muoane, pe care fizicienii le-au luat mult timp pentru produsele de descompunere ale B-mesonilor, de fapt nu au avut nicio legătură cu ele. Faptul este că B-mesonul trăiește pentru o perioadă foarte scurtă de timp și, după ce s-a născut în coliziunea protonilor și antiprotonilor, reușește să zboare departe de axa tubului de vid, unde au loc coliziunile, doar cu 1-2 mm. Aici se descompune în muoane. Când oamenii de știință și-au dat seama unde au fost înregistrați muioanele pe care le-a înregistrat detectorul lor, problema mesonilor B a fost rezolvată: așa cum s-a dovedit, unele dintre ele au apărut mult mai departe de axă, iar contribuția acestor „muoni în plus” la rezultatul final a explicat exact discrepanța cu teoria.
Dar de unde vin acei muți „în plus”?
Unele dintre ele provin la 3 mm de axa, la cinci și la șapte; unele sunt complet în afara tubului de vid, care într-adevăr nu se încadrează în nicio poartă.
„Senzatia” fizica incipienta este legata de aceste particule. Acest cuvânt, rar pentru științele venerabile, caracterizează de fapt emoția teoreticienilor și experimentatorilor în cel mai bun mod posibil. Discuțiile despre realitatea semnalelor găsite de colaborarea CDF sunt deja furibunde pe blogurile profesionale ale fizicienilor, iar pe site-ul de imprimeuri electronice de la Universitatea Cornell pentru a treia zi la rând, tot mai multe explicații teoretice pentru ceea ce au văzut.
Particule noi?
În principiu, poate exista o mare varietate de motive pentru apariția unor inutile sau, după cum spun fizicienii, particule „de fundal”, iar cea mai mare parte a articolului colaborării CDF este dedicată analizei posibilelor motive pentru apariția unui semnal care nu apelează la „noua fizică” dincolo de standard. modele. Poate că nu am ținut cont de alte particule din care se nasc muoane - de exemplu, razele cosmice, sau poate luăm alte produse de descompunere a particulelor născute în Tevatron pentru muoni? În cele din urmă, poate semnalele din detectorul în sine, pe care le luăm pentru urme de muoni, nu sunt astfel de - zgomot, fluctuații statistice, artefacte ale metodelor furioase de prelucrare matematică a rezultatelor experimentale?
Video promotional:
Potrivit autorilor ultimei lucrări, nu au reușit să găsească o explicație „standard”.
Trebuie menționat că aproape o treime din colaborare - aproximativ 200 din 600 de persoane - au refuzat să-și pună semnăturile pe articol, care a fost supus unui „audit intern” de aproape șase luni. De…
Totul arată ca și cum ar fi reușit să găsească semne ale existenței unei particule noi care trăiește mult mai mult decât mesonul B și nu are loc în fizica pe care o cunoaștem. Cu toate acestea, oamenii de știință încă se abțin de la o astfel de afirmație directă: experiența unei întregi generații de fizicieni, convinși din nou de aplicabilitatea modelului standard la fenomene aparent complet inexplicabile, se face simțită. Dar este imposibil să ignorați aproape 100 de mii de evenimente înregistrate de unul dintre cele mai bune instrumente ale celui mai puternic accelerator de pe Pământ.
Proprietățile muonilor „în plus” sunt uimitoare în sine. Unul dintre cele mai izbitoare este faptul că ei s-au născut foarte des în „pachete” - nu o particulă la un moment dat, ci două, trei, chiar opt câteodată. În plus, de regulă, din punctul în care s-au născut, ei au zburat nu în toate direcțiile, ci în aproximativ aceeași direcție - oamenii de știință folosesc chiar și termenul „jet muon”. Iar energia caracteristică a unei noi particule necunoscute - dacă există cu adevărat - este mai multe GeV. Cu alte cuvinte, „noua fizică” - dacă începem cu adevărat să o distingem în ceața muonului - începe la energii nu în mii de GeV, spre care sunt direcționate monștri precum LHC, ci mult mai devreme.
Și aceste proprietăți aproximează în mod izbitor rezultatele acceleratorului terestru cu datele publicate cu doar câteva zile mai devreme de la detectorul spațial antiparticule PAMELA.
Fracția de pozitron în funcție de energie // Grupul PAMELA, arXiv.org
Rezultatele experimentului PAMELA
Vehiculul internațional de cercetare PAMELA la bordul satelitului artificial rus Resurs-DK1 a înregistrat în mod sigur un exces de pozitroni cu energie mare într-un flux de spațiu încărcat …
Potrivit multor astrofizicieni, excesul de pozitroni cu energie mare (antiparticule la electroni) din razele cosmice apare din degradarea sau anihilarea particulelor misterioase de materie întunecată. Acesta este un alt element al fizicii dincolo de modelul standard, existența cărora (și chiar dominația în masă) astronomi au cunoscut de mult timp, dar nu pot spune nimic demn: de aceea este materie întunecată, că nu este vizibilă și își dă prezența doar prin gravitație.
Puterea întunecată
După cum s-a dovedit, cvartetul teoreticienilor de la Princeton, Harvard și New York au deja o explicație a rezultatelor PAMELA, care a venit la îndemână cu noile date de la Tevatron. Potrivit lui Nima Arkanihamed și colegilor săi, în cadrul modelului supersimetric al acestora, se obține o explicație unificată și naturală pentru excesul de pozitroni măsurați în mod fiabil de aparatul PAMELA, un exces subtil de raze gamma provenind aparent de nicăieri și strălucirea ceață a centrului galaxiei în gama și fascicule radio înregistrate de alți sateliți astrofizici.
În conformitate cu modelul, particulele de materie întunecată au o masă de aproximativ 1000 GeV și nu participă la interacțiunile pe care le cunoaștem. Cu toate acestea, acționează unul pe celălalt cu ajutorul unei forțe „întunecate” cu rază scurtă de acțiune, care este purtată de o altă particulă întunecată cu o masă de aproximativ 1 GeV. Cu alte cuvinte, la cele trei tipuri obișnuite de interacțiune, care acționează numai asupra materiei obișnuite (electromagnetice și nucleare, slabe și puternice), se adaugă încă unul, care acționează numai în lumea materiei întunecate. Gravitatea, ca de obicei, este separată, legând ambele lumi.
Teoreticienii aveau nevoie de forța „întunecată” pentru a lega particulele de materie întunecată într-un fel de „atomi”, în care una dintre particulele întunecate are o „încărcare întunecată” negativă, iar cealaltă are o „încărcare întunecată” pozitivă. Doar formarea de „atomi” permite materiei întunecate să se anihileze suficient de intens pentru a explica rezultatele observațiilor astrofizice (acesta este așa-numitul mecanism Sommerfeld).
Cu toate acestea, particula care poartă forța „întunecată” poate deja să se descompună direct cu emisia de particule obișnuite, iar această particulă, potrivit lui Arkanihamed și colegii săi, este cea care poate fi responsabilă de apariția muonilor „în plus”.
Mai mult decât atât, descompunerea particulelor întunecate încărcate cu o încărcare întunecată are loc în mod natural într-o cascadă până când ajunge la cea mai ușoară particulă întunecată stabilă, care nu are nimic de degradat. Fiecare pas al acestei cascade implică o particulă - un purtător al forței întunecate și, prin urmare, poate apărea un muon în plus la fiecare pas. Atât de mult pentru muoni în „pachete”. Ei bine, faptul că toți zboară în aceeași direcție se datorează pur și simplu faptului că particulele în descompunere se mișcă repede - astfel încărcările artificiilor festive, care explodează înainte de a atinge punctul cel mai înalt al traiectoriei lor, aruncă fântâni întregi de lumini strălucitoare. Atât de mult pentru „jet”.
Cu toate acestea, publicarea datelor de către colaborările CDF și PAMELA va duce, fără îndoială, la apariția a zeci, dacă nu sute, de posibile explicații în lunile următoare. Așadar, s-ar putea să nu merite să locuiești pe modelul lui Arkanihamed. Până în prezent, ea se distinge doar prin faptul că s-a dovedit a fi la instanța de judecată atunci când a interpretat atât datele, cât și celelalte date.
Desigur, este posibil ca ambele rezultate experimentale să primească explicații mai banale. „Muoni în plus” s-ar putea dovedi a fi altceva decât un efect necunoscut pentru efectul instrumental al instalării gigantului CDF, iar „positronii în plus” pot fi generați în vecinătatea stelelor de neutroni din Galaxia noastră.
Dar perspectivele sunt intrigante. În lumea materiei întunecate, care până de curând părea o turbiditate fără formă în spatele căreia astronomii își ascund neînțelegerea cu privire la structura lumii, a început să apară o structură - unele interacțiuni, „sarcini întunecate”, „atomi întunecați”. Poate că fizica nu s-a terminat, iar noile generații de oameni de știință vor avea ceva de studiat în „lumea întunecată”.
