Несбывшиеся надежды на новую физику

Какие «страшные сценарии» физики хотели забыть с помощью частицы в 750 ГэВ

CMS — один из экспериментов, обнаруживших намек на существование новой частицы

В начале августа CERN официально объявил, что частица массой 750 ГэВ, прежде замеченная на Большой адронном коллайдере, не существует. Почему физики мечтали ее найти и какие надежды на нее возлагали, «Чердаку» рассказал сотрудник коллаборации LHCb, старший научный сотрудник Института теоретической и экспериментальной физики Иван Беляев.

«Если приоткрыть немного внутреннюю кухню, то «новые частицы» у нас появляются часто, примерно раз в неделю. Но редко какая частица доживает до вечера того же дня, так как необходимо, чтобы ее существование подтвердили в других экспериментах на независимых данных», — рассказал Беляев.

Надежность открытия оценивают в стандартных отклонениях (сигмах). Чтобы уверенно говорить об обнаружении процессов, выходящих за рамки Стандартной модели, нужна достоверность в 5 сигм — это соответствует вероятности ошибки примерно в единицу на три с половиной миллиона, а 2-3 сигмы — это вероятность ошибки примерно в один процент.

«А дальше начинается балансирование. Предположим, мне удается получить результат с достоверностью только 3 сигмы. Кто-то другой подтверждает этот результат, но тоже с достоверностью 3 сигмы. Сигмы, конечно, не складываются, но все же уверенность растет. А если твои результаты подтверждает конкурирующая группа ученых, это еще больше подкрепляет убежденность, что результат получен не на ровном месте», — объяснил ученый.

Это и произошло с частицей, впервые обнаруженной в данных Большого адронного коллайдера в 2015 году. Эксперименты ATLAS и CMS заметили в своих данных очень схожие частицы массой 750 ГэВ, распадающиеся на два фотона. Достоверность в каждом отдельном случае была не очень большой — 2-3 сигмы, но питательная почва для надежд была заложена.

Распад на два фотона частицы массой 750 ГэВ, по данным CMS
Распад на два фотона частицы массой 750 ГэВ, по данным CMS. Иллюстрация: CERN/Mc Cauley, Thomas

Фундаментальная частица

Новые частицы открывают каждый год, а то и чаще. Однако для ученых не все они одинаково важны. Самые интересные — это те, существование которых не укладывается в Стандартную модель — современную теорию, описывающую все известные элементарные частицы. Стандартная модель прекрасно справляется со своими задачами, но не объясняет самого главного — самого существования нашего мира и, в частности, почему во Вселенной больше вещества, чем антивещества. Если бы их было поровну, наш мир бы просто не смог существовать, так как два вида материи аннигилировали бы друг с другом.

Поэтому ученые ищут частицы, существование которых Стандартной моделью не предсказано. Если такие частицы найдут, это будет означать, что существуют и новые виды физических взаимодействий, которые могут помочь объяснить загадку преобладания вещества во Вселенной.

«Большинство легких частиц, состоящих из кварков, не так уж интересны. А вот эта частица, с массой 750 ГэВ, если бы ее существование подтвердилось, могла бы открыть новую страницу в физике», — сказал Беляев.

Пока новые частицы не найдены, о «новой физике», выходящей за пределы Стандартной модели, приходится судить методом исключения.

«Если такие частицы есть, но мы их не видим в экспериментах на коллайдере, то это уже кое-что говорит об их свойствах. Например, мы понимаем, что у них либо очень большая масса, недоступная современным коллайдерам, либо по каким-то причинам они очень слабо взаимодействуют с обычными, хорошо известными частицами. Это позволяет отбросить многие теории», — пояснил ученый.

Самый страшный сценарий для физиков — если верными окажутся те теории, которые не предсказывают новых частиц или предсказывают их появление при таких условиях, при которых до них никак не дотянуться. Например, при очень высоких энергиях.

«Сейчас Большой адронный коллайдер работает при 13 ТэВ, в изначальном проекте заложено 14 ТэВ. Ученые мечтают о коллайдере высокой энергии, 20—40 ТэВ, лет через 15—20. Но для того, чтобы выйти на принципиально более высокие энергии, например заметно превышающие 100 или 200 ТэВ, потребуется кардинально менять наше представление о том, как ускорять частицы, и это произойдет явно не в ближайшие десятилетия», — объяснил Беляев.

Если бы существование новой частицы массой 750 ГэВ удалось подтвердить и выяснить, например, как она связана с другими известными частицами, это была бы первая позитивная информация о новой физике, которая позволила бы забыть о пугающем сценарии.

Горькая пилюля

В этом году ученые активно собирали данные, чтобы придать открытию частицы требуемую достоверность. Однако, накопив нужное количество данных, ученые не увидели в них никаких подтверждений долгожданному открытию.

«Чтобы собрать о новой частице больше данных к конференции ICHEP в Чикаго в начале августа, существенно изменили расписание работы ускорителя. Все технические остановки сократили до минимума, а некоторые даже отменили. Когда где-то за неделю до конференции поползли слухи, что частицы все-таки нет, вы не представляете, как не хотелось в это верить!» — рассказал физик.

Шахта коллайдера во время технической остановки в июне 2016 года
Шахта коллайдера во время технической остановки в июне 2016 года. Фото: CERN/Brice, Maximilien


Внутри CERN о ней было известно за несколько месяцев до публичного объявления. Было написано больше 100 теоретических статей с разными вариантами теорий, объясняющих существование новой частицы. «Теперь большую часть из них можно отбросить, снова сузив область поиска новой физики проверенным методом исключения. Но пилюля все равно горькая», — заключил Беляев.
Теги:

Читать еще на Чердаке: