Ve dvou hlavních experimentech se objevily známky „nové fyziky“. Tevatron Hadron Collider zaznamenal částice tam, kde by neměly být, a vesmírný experiment PAMELA našel stopy rozpadu částic temné hmoty. Obě fakta dobře zapadají do teorie, že existuje „temná síla“
Zatímco Velký Hadron Collider (LHC) se připravuje na opravy po velké září září, americký Tevatron, který přežil poslední měsíce jako nejsilnější urychlovač na planetě, představil fyzikům nečekané překvapení. Koncem minulého týdne publikovali spolupracovníci CDF pracující na obří tevatronovém částicovém detektoru stejného jména předtisk popisující něco, co přesahuje téměř posvátný standardní model elementárních částic pro fyziky.
Pokud se ukáže, že tento signál není nějakým nezjištěným pro pozadí, bude tento objev prvním pozemským důkazem omezení standardního modelu.
Pozemský v tom smyslu, že astrofyzici již dlouho znali temnou hmotu a temnou energii, která se také nehodí do standardního modelu. Pravda, o vlastnostech částic, které tvoří temnou hmotu, není známo prakticky nic.
Tevatron a extra miony
S detektorem CDF fyzici studují částice produkované kolizí protonů - pozitivně nabité částice, které tvoří všechny atomová jádra, a antiprotony - jejich záporně nabité antipody. V urychlovači Tevatron, jak napovídá jeho název, jsou tyto částice urychlovány na energie téměř 1 TeV nebo 1 000 GeV - tisíc miliard elektronových voltů, a energie srážky je tedy téměř 2000 GeV, což umožňuje vytvářet různé, dokonce i velmi masivní elementární částice.
Není však ani možné jednoduše opravit existenci většiny požadovaných částic. Zpravidla jsou nestabilní a mění se na několik lehčích částic za zlomek sekundy. Detektor měří vlastnosti rozpadových produktů a fyzici pak v souladu se známou metaforou „zkuste obnovit strukturu hodinového stroje a prozkoumat fragmenty hodinových kol, které se srazily rychlostí blízkého světla.“
Jedním z nejpopulárnějších „zařízení“tohoto druhu je mion. Miony jsou ve svých vlastnostech velmi podobné běžným elektronům obíhajícím atomová jádra. Miony jsou však mnohem masivnější, a proto mají zvláštní hodnotu pro experimentální fyziky. Zaprvé je obtížnější je „uvést v omyl“, když narazí na protony a elektrony detektoru, a zadruhé, v samotných kolizích se jich narodí méně a je snazší rozeznat jejich stopy v detektoru než zapletené trajektorie mnoha elektronů.
Jednou z částic, která byla aktivně studována pomocí mionů, je tzv. B-meson, který zahrnuje těžký b-kvark (nebo antikvark).
A tady miony po dlouhou dobu vedly experimentátory nosem.
Teorie struktury a interakce kvarků - kvantová chromodynamika - umožňuje vypočítat pravděpodobnost produkce B-mesonů a jejich účast na různých interakcích. Je tedy možné odhadnout počet mionů, které se narodí během rozkladu těchto částic. V experimentu však bylo vyrobeno mnohem více mionů, než bylo plánováno. Kromě toho další metoda měření vlastností B-mesonů ukázala výsledky, které jsou v lepší a lepší shodě s teorií. Experti měli tedy stále méně důvodů obviňovat teoretiky z toho, že nevědí, jak počítat (a výpočty v kvantové chromodynamice jsou extrémně obtížné).
Důvodem těchto nesrovnalostí zůstalo tajemství po dlouhou dobu, dokud vědci nezjistili, že některé z mionů, které fyzici po dlouhou dobu brali pro rozpadové produkty B-mesonů, s nimi ve skutečnosti neměly nic společného. Faktem je, že B-meson žije velmi krátkou dobu a po narození ve srážce protonů a antiprotonů se mu podaří odletět z osy vakuové trubice, kde ke srážkám dochází, pouze o 1–2 mm. Zde se rozpadá na miony. Když vědci přišli na to, kde miony zaznamenali jejich detektory, byl problém B-mesonů vyřešen: jak se ukázalo, některé z nich vyvstaly mnohem dále od osy a příspěvek těchto „extra mionů“ke konečnému výsledku přesně vysvětlil rozpor s teorií.
Ale odkud tyto „extra“miony pocházejí?
Některé z nich pocházejí ve vzdálenosti 3 mm od osy, v pěti a v sedmi; někteří jsou úplně mimo vakuovou trubici, která se opravdu nehodí do žádné brány.
S těmito částicemi je spojen vznikající fyzický „pocit“. Toto slovo, vzácné pro ctihodnou vědu, ve skutečnosti nejlépe charakterizuje vzrušení teoretiků a experimentátorů. Diskuse o realitě signálů zjištěných spoluprací CDF již zuří na profesionálních blogech fyziků a na webových stránkách elektronických předtisků na Cornell University, čím dál tím více teoretických vysvětlení toho, co viděli, se objevují již třetí den v řadě.
Nové částice?
V zásadě může existovat celá řada důvodů pro výskyt zbytečných, nebo, jak říkají fyzici, „pozadí“částic a většina článku spolupráce CDF je věnována analýze možných důvodů pro objevení signálu, který se netýká „nové fyziky“nad rámec standardu. modely. Možná jsme nezohlednili některé další částice, z nichž se rodí miony - například kosmické paprsky, nebo možná vezmeme jiné rozpadové produkty částic zrozených v Tevatronu pro miony? A konečně, možná signály v samotném detektoru, které bereme pro stopy mionů, nejsou takové - šum, statistické výkyvy, artefakty zuřivých metod matematického zpracování experimentálních výsledků?
Propagační video:
Podle autorů posledního díla se jim nepodařilo najít „standardní“vysvětlení.
Je třeba poznamenat, že téměř třetina spolupráce - asi 200 ze 600 lidí - odmítla dát svůj podpis k článku, který byl téměř šest měsíců podroben „internímu auditu“. Podle…
Všechno vypadá, jako by se jim podařilo najít známky existence nějaké nové částice, která žije mnohem déle než B-meson, a ve fyzice, kterou známe, nemá místo. Vědci však stále upouštějí od takového přímého tvrzení: cítí se zkušenost celé generace fyziků, znovu a znovu přesvědčená o použitelnosti standardního modelu na zdánlivě zcela nevysvětlitelné jevy. Nelze však jednoduše ignorovat téměř 100 tisíc událostí zaznamenaných jedním z nejlepších nástrojů stále nejsilnějšího urychlovače na Zemi.
Vlastnosti „extra“muonů jsou samy o sobě úžasné. Jedním z nejvýraznějších je, že se velmi často narodili v „balíčcích“- ne v jedné částici najednou, ale ve dvou, třech, dokonce i osmi. Kromě toho zpravidla od okamžiku, kdy se narodili, nelétali ve všech směrech, ale přibližně v jednom směru - vědci dokonce používají termín „proud mionů“. A charakteristická energie nové neznámé částice - pokud skutečně existuje - je několik GeV. Jinými slovy, „nová fyzika“- pokud ji skutečně začneme rozlišovat v mionové mlze - začíná u energií nikoli v tisících GeV, na které jsou monstra jako LHC zaměřena, ale mnohem dříve.
A tyto vlastnosti nápadně přibližují výsledky z pozemního urychlovače s údaji zveřejněnými před několika dny z kosmického antipartikulárního detektoru PAMELA.
Pozitronová frakce jako funkce energie // PAMELA Group, arXiv.org
Výsledky experimentu PAMELA
Mezinárodní výzkumné vozidlo PAMELA na palubě ruské umělé družice "Resurs-DK1" spolehlivě zaznamenalo v toku nabitého prostoru nadbytek vysoce energetických pozitronů …
Podle mnoha astrofyziků přebytek vysokoenergetických pozitronů (antičástic k elektronům) v kosmických paprscích vzniká rozpadem nebo zničením částic záhadné temné hmoty. Toto je další prvek fyziky nad standardní model, jehož existence astronomové (a dokonce i nadvláda hmotou) již dlouho věděli, ale nemohou říci nic užitečného: proto je to temná hmota, že není viditelná, a její přítomnost rozdává pouze gravitací.
Temná síla
Jak se ukázalo, kvarteto teoretiků z Princetonu, Harvardu a New Yorku již má vysvětlení výsledků PAMELA, což se hodilo pro nová data z Tevatronu. Podle Nima Arkanihameda a jeho kolegů je v rámci jejich supersymetrického modelu získáno jednotné a přirozené vysvětlení pro nadbytek pozitronů spolehlivě měřených přístrojem PAMELA, sotva rozpoznatelný nadbytek paprsků gama přicházejících zdánlivě od ničeho a mlhavé záře středu galaxie v gama a rádiové paprsky zaznamenané jinými astrofyzikálními satelity.
Podle modelu mají částice temné hmoty hmotnost asi 1 000 GeV a nezúčastňují se na interakcích, které známe. Působí však na sebe pomocí „temné“síly krátkého dosahu, která je nesena jinou temnou částicí o hmotnosti přibližně 1 GeV. Jinými slovy, ke třem obvyklým typům interakce, které působí pouze na obyčejnou hmotu (elektromagnetická a jaderná, slabá a silná), se přidá ještě jedna, která působí pouze ve světě temné hmoty. Gravitace jako obvykle stojí odděleně a propojuje oba světy.
Teoretici potřebovali „temnou“sílu, aby spojili částice temné hmoty do jakési „atomy“, ve které má jedna z temných částic negativní „temný náboj“a druhý má pozitivní „temný náboj“. Pouze tvorba „atomů“umožňuje temnou hmotu dostatečně intenzivně zničit, aby vysvětlila výsledky astrofyzikálních pozorování (jedná se o tzv. Sommerfeldův mechanismus).
Částice, která nese „temnou“sílu, se však již může rozkládat přímo s emisemi obyčejných částic, a právě tato částice může být podle Arkanihameda a jeho kolegů zodpovědná za vzhled „extra“mionů.
Kromě toho rozklad tmavých částic nabitých temným nábojem přirozeně pokračuje v kaskádě, dokud nenarazí na nejsvětlejší stabilní tmavou částici, do které se nemá co rozkládat. Každý krok této kaskády zahrnuje částici - nosič temné síly, a proto se v každém kroku může objevit další mion. Tolik pro miony v „baleních“. Skutečnost, že všichni létají stejným směrem, je jednoduše způsobena tím, že rozpadající se částice se rychle pohybuje - takže náboje slavnostní ohňostroje explodující před dosažením nejvyššího bodu jejich trajektorie vyhodí celé fontány jasných světel dopředu. Tolik na "jet".
Zveřejňování údajů ve spolupráci CDF a PAMELA však v nadcházejících měsících bezpochyby povede ke vzniku desítek, ne-li stovek možných vysvětlení. Takže by asi nemělo být opožděné bydlet na Arkanihamedově modelu. Doposud se vyznačuje pouze skutečností, že se při výkladu těchto i dalších údajů ukázalo být u soudu.
Samozřejmě je možné, že oba experimentální výsledky obdrží triviální vysvětlení. „Extra miony“se mohou ukázat jako nic jiného než nezohledněné pro instrumentální účinek obří instalace CDF a „extra pozitrony“mohou být generovány v blízkosti neutronových hvězd v naší Galaxii.
Ale vyhlídky jsou zajímavé. Ve světě temné hmoty, která se donedávna zdala být beztvarým zákalem, za kterým astronomové skrývají své nepochopení struktury světa, se začala objevovat struktura - nějaké interakce, „temné náboje“, „temné atomy“. Možná, že fyzika neskončila a nové generace vědců budou mít co studovat v „temném světě“.