Интересные факты

ЦЕРН снова «нащупал» новую физику

С середины и до конца двадцатого века квантовые физики разобрали по частям единую теорию физики, предложенную общей теорией относительности Эйнштейна. Физика большого подчиняется гравитации, однако только квантовая физика могла описывать наблюдения малого. С тех пор продолжается теоретическое перетягивание каната между гравитацией и тремя другими фундаментальными взаимодействиями, покамест физики пытаются расширить гравитацию или квантовую физику, чтоб одна могла поглотить другую. Последние измерения, поступившие с Большого адронного коллайдера, показывают расхождение между прогнозами Стандартной модели, которые могут намекать на совсем новые сферы Вселенной, лежащие в основе описываемого квантовой физикой. Хотя для подтверждения этих аномалий требуются повторные испытания, подтверждение будет означать поворотный момент в нашем самом фундаментальном описании физики частиц на сегодняшний день.

Квантовые физики обнаружили, что мезоны не распадаются на каон и мюон этак часто, как того требует Стандартная модель. Они считают, что повышение мощности Большого адронного коллайдера раскроет частицу нового типа, ответственную за это расхождение. Хотя расхождение могут потребовать ошибки в данных или теории, в таком случае вместо новой частицы улучшенный БАК станет благом для нескольких проектов на передовом фронте физики.

Стандартная модель

Стандартная модель — это неплохо проверенная фундаментальная теория квантовой физики, которая описывает три из четырех фундаментальных взаимодействия, которые, будто полагают, управляют нашей физической реальностью. Квантовые частицы бывают двух основных типов: кварки и лептоны. Кварки связываются совместно в различных комбинациях, образуя частицы вроде протона и нейтрона. Протоны, нейтроны и электроны, будто известно, собираются в атомы.

«Лептонное семейство» имеет более тяжелые версии электрона — вроде мюона — и кварки могут сливаться в сотни других составных частиц. Две из них, самый нательный и К-мезоны, оказались замешаны в этом квантовом детективе, на какой обратили внимание ученые. B-мезон распадается на К-мезон, сопровождаемый мюоном (mu-) и анти-мюоном (mu+).

Отклонение

Ученые обнаружили вероятность в 2,5 сигма, или 1 к 80 того, что в отсутствие неожиданных эффектов, то кушать новой физики, более девиантное распределение, чем наблюдалось, будет производиться примерно в 1,25% случаев, говорит профессор Спенсер Клейн, старший научный сотрудник Национальной лаборатории Лоуренса Беркли. Клейн не участвовал в исследовании.

Проще говоря, частота распада мезонов на странные кварки в процессе протонных столкновений на БАК оказывается ниже ожидаемой. «Загвоздка в том, что с 2,5 сигма либо данные немножко не того, либо теория немножко не того, либо кушать намек на что-то за пределами Стандартной модели», говорит Клейн. «Я бы поставил на что-то одно из первых двух».

По мнению Клейна, это отклонение неминуемо, учитывая большой объем данных, которыми оперируют компьютеры в операциях с БАК. «С петабайтовыми наборами данных с БАК и современными компьютерами мы можем изготовлять огромное число вычислений разных величин», говорит Клейн. «БАК выдал немало сотен результатов. Статистически отдельный из них могут демонстрировать флуктуации в 2,5 сигма». Физики частиц обыкновенно ждут флуктуацию в 5 сигма, прежде чем колотить в колокол.

Эти последние аномальные наблюдения тоже не были взяты с потолка. «Интересно то, будто эти наблюдения соотносятся с другими аномальными измерениями процессов с участием B-мезонов, сделанными за последние годы», говорит доктор Тевонг Ю, соавтор исследования и меньший научный сотрудник в Университете Кембриджа. «Эти независимые измерения были менее чисты, однако более значительны. В сумме, шанс того, что все эти разные измерения отклоняются от Стандартной модели, близок к 1 на 16 000, или 4 сигма», говорит он.

Похожие новости  В России тестируют новую систему возвращения космонавтов с орбиты

Расширение Стандартной модели

Исключая статистическую или теоретическую ошибки, Тевонг подозревает, что аномалии маскируют наличие совершенно новых частиц, лептокварков или новых калибровочных бозонов. Внутри нижних мезонов квантовые возбуждения новых частиц могут мешать нормальной частоте распада. В своем исследовании ученые заключили, что обновленный БАК может подтвердить существование новых частиц и привнести мощное обновление в Стандартную модель в процессе.

«Это было бы революционным для нашего фундаментального понимания Вселенной», говорит Тевонг. «Для физики частиц это будет означать, что мы приподнимаем еще одинешенек слой Природы и продолжаем странствие к самым элементарным строительным блокам. Это будет важно для космологии, поскольку она опирается на наши фундаментальные теории понимания ранней Вселенной. Взаимодействие между космологией и физикой частиц было весьма плодотворным в прошлом. Что касается темной материи, если она возникает из того же нового физического сектора, в какой встроен лептокварк, мы могли бы также найти ее след».

Познания — сила

До сих пор ученые с БАК наблюдали лишь призраки и аномалии, намекающие на частицы, существующие на высоких уровнях энергии. Чтоб доказать их существование, физикам «нужно подтвердить косвенные признаки, а для этого нужно ожидать, пока эксперимент LHCb не соберет больше данных о распадах B, чтоб сделать более точные измерения», говорит Тевонг. «Мы также получим независимое подтверждение с другого эксперимента, Belle II, какой даст о себе знать в следующие несколько лет. После итого этого, если измерение распадов B все еще будет расходиться с прогнозами Стандартной модели, мы будем уверены, что тут играет нечто за пределами Стандартной модели».

Чтоб установить существование новых частиц, физики должны произвести их этак же, как нижние мезоны или бозоны Хиггса, и следить за их распадом. Тот факт, что они не видели таких экзотических частиц на БАК (покамест что), означает, что те могут быть чересчур тяжелыми и для их производства нужно больше энергии.

Квантовый скачок для БАК

Розыск новых частиц на БАК не зависит от ожидания. Вероятность наблюдения новых явлений прямиком пропорциональна количеству частиц, погибающих в столкновениях. «Чем больше появляется частиц, тем выше шансы того, что мы заметим нужное на фоне множества других событий в этих столкновениях», объясняет Тевонг. Розыск новых частиц он уподобляет поиску иголки в стогу сена; проще найти иголку в стогу сена, какой набит иголками.

Если аномалии будут подтверждены, Стандартная модель должна будет измениться. Совместно с тем увеличатся и масштабы энергии, на которые будут ориентировать следующее поколение коллайдеров. Возможно, и до темной материи доберемся. А там, глядишь, объединим все эти взаимодействия между различными аномалиями в единую и элегантную теорию.

Hi-News.ru — Новости высоких технологий.

Добавить комментарий