Текст уведомления здесь

Странные кварки за старую физику

Физики, работающие на коллайдере, обнаружили очень редкий случай распада частиц

Ученые, работающие с данными Большого адронного коллайдера (БАК), зарегистрировали очень редкий случай распада прелестного странного мезона на два мюона. Эти результаты были предсказаны Стандартной моделью, однако их экспериментального подтверждения ученым пришлось ждать три десятка лет.
Добавить в закладки
Комментарии
Поведение элементарных частиц описывает теория, называемая Стандартной моделью. Ей уже примерно полвека, а три года назад была найдена последняя недостающая частица, предсказанная этой теорией — бозон Хиггса.

«Стандартная модель очень хорошо описывает все экспериментальные данные, но у нее есть внутренние проблемы: если пытаться посчитать процессы при больших энергиях, то получаются несуразности.


Поэтому ее надо как-то исправлять. Для этого можно попробовать найти какие-то новые частицы, которые в нее не укладываются, или процессы, которые выходят за ее рамки», — объяснил «Чердаку» участник одной из коллабораций БАК — CMS Владимир Гаврилов, начальник лаборатории ядерной физики высоких энергий Института теоретической и экспериментальной физики.

В Стандартной модели есть три группы частиц: кварки, лептоны и калибровочные бозоны, отвечающие за три фундаментальных взаимодействия: сильное, слабое и электромагнитное. Ядра атомов всех веществ состоят из кварков. Кварки не разлетаются в разные стороны, потому что их скрепляют глюоны — переносчики сильного взаимодействия. Например, протон состоит из трех кварков, «склеенных» глюонами. Лептоны не участвуют в сильных взаимодействиях, только в слабых и электромагнитных. Самый известный пример лептона — электрон.

Гаврилов и его коллеги, объединив данные экспериментов CMS и LHCb на Большом адронном коллайдере за 2011 и 2012 годы, обнаружили статистически достоверный распад Bs-мезона на два мюона. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Мезоны — это составные частицы, которые состоят из одного кварка и одного антикварка, склеенных глюонами. Bs-мезон образован одним странным (strange) кварком и одним прелестным (beauty) антикварком («двойником» кварка из антиматерии). Мюон можно представить себе как тяжелый электрон, в 200 раз тяжелее обычного. В природе мюоны образуются при взаимодействии космических лучей с частицами в верхних слоях атмосферы и быстро распадаются.

«Распад Bs-мезона на два мюона очень редкий: его вероятность — примерно три случая на миллиард, так что нужно было зарегистрировать десятки миллиардов распадов, чтобы найти нужное количество случаев для достоверной статистики.

Этот распад интересен тем, что в нем могли бы проявить себя какие-то новые частицы, которые не вписываются в Стандартную модель.


Для того чтобы их получить, нам не хватает энергии, но в таких распадах они бы могли себя проявить», — пояснил ученый.

Нестандартная модель

Одним из возможных расширений Стандартной модели является теория суперсимметрии. Она не только разрешает противоречия, возникающие при прогнозировании результатов на высоких энергиях, но и предсказывает существование частиц, из которых могла бы состоять темная материя. Эта загадочная субстанция составляет большую часть массы Вселенной, но зарегистрировать ее напрямую у ученых пока не получилось.

Если бы распад Bs-мезона на два мюона случался чаще, чем предсказано Стандартной моделью, это бы могло быть подтверждением теории суперсимметрии. Но сейчас частота распадов, которые были обнаружены в двух экспериментах, CMS и LHCb, находится в полном соответствии со Стандартной моделью.

Найди то, не знаю что

Обнаружить частицы или их следы, которые бы не вписывались в Стандартную модель, очень сложно. Подтвердить ее, обнаружив бозон Хиггса, было в каком-то смысле проще. За ним, как за особо опасным преступником, портреты которого развешаны по всему городу, велась целенаправленная охота: были известны его характеристики, в каких процессах он образуется, на что должен распадаться.

«Мы искали в каком-то смысле «под фонарем»: нам надо было только энергию набрать, количество столкновений и построить такие установки, которые все это зарегистрируют. Обнаружение бозона Хиггса стало последним кирпичиком в Стандартной модели — больше вакансий для частиц в ней не осталось. Теперь куда двигаться дальше?

Мы ищем отклонения от Стандартной модели везде, где только можно: при прямом наблюдении, по редким распадам — вдруг окажется, что какой-то из них случается чаще или реже, чем предсказывает Стандартная модель.


Но, в отличие от поисков бозона Хиггса, мы не можем сказать, есть эти новые частицы или нет, мы можем только сказать, что вот в этом углу, где мы промеряли, мы не видим ничего, что бы не укладывалось в Стандартную модель. Поэтому больше половины статей, вышедших по экспериментам ATLAS или CMS, сводится к тому, что искали то, не знаю что, и не нашли. Но при этом поставили какие-то ограничения», — пояснил Гаврилов.

Чего еще ждать от коллайдера

В 2013 году коллайдер остановили на два года для того, чтобы провести модернизацию и увеличить энергию, с которой в нем сталкиваются частицы, с 4 ТэВ в каждом пучке до 6,5. Сейчас БАК в рабочем состоянии, но впереди еще несколько отладочных этапов. В мае 2015 года будут получены первые, еще редкие столкновения на энергии 6,5 ТэВ. Затем инженеры будут увеличивать плотность пучков, потом фокусировать их, нацеливая друг на друга. В конце лета коллайдер заработает на полной мощности.

В целом программа экспериментов на БАК разработана до 2035 года. В ней предусмотрены еще несколько остановок на 1-2 года для модернизации. В следующий раз энергию попытаются поднять с 6,5 до 7 ТэВ, а потом будут повышать количество столкновений на единицу времени. Более высокая энергия нужна, чтобы обнаруживать более тяжелые частицы, а большее количество столкновений — чтобы наблюдать более редкие процессы.

«Вариантов, какие новые частицы могут быть обнаружены, — море. Кроме суперсимметрии, есть еще одна любопытная гипотеза: со времен Эйнштейна физики пытаются соединить все взаимодействия и гравитацию в единое уравнение.


Оказывается, что лучше всего такое объединение описывает теория струн, в которой частички представляются не как точки, а как более сложные структуры: струны, кольца, мембраны — в пространстве, которое имеет не три и даже не четыре измерения, а гораздо больше. Однако все это на очень маленьких масштабах, до которых мы пока не «добрались». Если такие дополнительные размерности существуют, мы тоже их можем увидеть при повышении энергии на коллайдере. В общем, все идеи, которые теоретики нам накидали, мы, экспериментаторы, пытаемся проверить», — заключил ученый.
Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы