Az "új fizika" jelei két nagy kísérletben jelentkeztek. A Tevatron Hadron Collider olyan részecskéket rögzített, ahol nem szabad lennie, és a PAMELA űrkísérlete nyomokat talált a sötét anyag részecskék bomlásáról. Mindkét tény jól illeszkedik az elmélethez, miszerint a "sötét erő" létezik
Miközben a nagy hadroncsatorna (LHC) javításra készül egy szeptemberi súlyos baleset után, az amerikai Tevatron, amely az elmúlt hónapokban túlélt a bolygó legerősebb gyorsítójaként, váratlan meglepetést adott a fizikusoknak. A múlt héten a CDF munkatársai az azonos nevű óriási Tevatron részecskedetektoron dolgoztak ki egy olyan nyomtatványt, amely leírja valamit, amely meghaladja a fizikusok számára az elemi részecskék szinte szent standard modelljét.
Ha ez a jel kiderül, hogy nem vesz észre a háttérhatást, akkor ez a felfedezés lesz az első földi bizonyíték a standard modell korlátozásaira.
Földi abban az értelemben, hogy az asztrofizikusok már régóta ismerik a sötét anyagot és a sötét energiát, amelyek szintén nem illeszkednek a standard modellbe. Igaz, hogy a sötét anyagot alkotó részecskék tulajdonságairól gyakorlatilag semmit sem tudunk.
Tevatron és extra muonok
A CDF detektorral a fizikusok megvizsgálják a protonok ütközéskor keletkező részecskéket - az összes atommagot alkotó pozitív töltésű részecskék és az antiprotonok - azok negatív töltésű antipódokat. A Tevatron gyorsítóban, amint a neve is sugallja, ezek a részecskék majdnem 1 TeV vagy 1000 GeV energiáig gyorsulnak, és az ütközési energia ennek megfelelõen majdnem 2000 GeV, ami lehetõvé teszi különféle, még nagyon hatalmas energiák létrehozását. elemi részecskék.
Ugyanakkor még csak nem is lehetséges egyszerűen rögzíteni az érdeklődő részecskék nagy részének létezését. Rendszerint instabilok, és apróbb másodperc alatt több könnyebb részecskévé válnak. A detektor méri a bomlástermékek tulajdonságait, és a fizikusok a közismert metaforával összhangban "megpróbálják helyreállítani az óramű szerkezetét, megvizsgálva az óramutató fogaskerekek töredékeit, amelyek közeli fénysebességgel ütköztek össze".
Az egyik legnépszerűbb ilyen típusú "fogaskerék" a muon. Tulajdonságai szempontjából a muonok nagyon hasonlóak az atommagokat keringő rendes elektronokhoz. A muonok azonban sokkal hatalmasabbak, és ezért különös jelentőséggel bírnak a kísérleti fizikusok számára. Először, nehezebb "félrevezetni" őket, ha a detektor protonjaival és elektronjaival találkoznak, másrészt maguk az ütközések során kevesebb születik, és könnyebb a detektorban levő nyomok kimutatása, mint a számos elektron összefonódott pályája.
Az egyik részecske, amelyet aktívan tanulmányoztak a muonok segítségével, az úgynevezett B-mezon, amely tartalmaz egy nehéz b-kvarkot (vagy antiquarkot).
És itt a muonák hosszú ideig az orr mellett vezették a kísérletezőket.
A kvarkok szerkezetének és kölcsönhatásának elmélete - kvantumkromodinamika - lehetővé teszi a B-mezonok képződésének valószínűségének és a különböző interakciókban való részvételének kiszámítását. Ezért becsülhető meg a muonok száma, amelyek ezen részecskék pusztulása során születnek. A kísérletben azonban a tervezettnél sokkal több muont gyártottak. Ezenkívül a B-mezonok tulajdonságainak mérésére szolgáló másik módszer olyan eredményeket mutatott, amelyek jobban és jobban összhangban állnak az elmélettel. Tehát a kísérletezőknek egyre kevésbé volt oka vádolni az elméleteket, hogy nem tudják, hogyan kell számolni (és a kvantum-kromodinamika számítása rendkívül nehéz).
Ezeknek az eltéréseknek az oka sokáig rejtély maradt, amíg a tudósok rájöttek, hogy a müonok egy része, amelyet a fizikusok hosszú ideig a B-mezonok bomlástermékeihez vettek, valójában semmi köze nekik. A helyzet az, hogy a B-mezon nagyon rövid ideig él, és protonok és antiprotonok ütközésében született, és csak 1-2 mm-rel képes repülni a vákuumcső tengelyétől, ahol az ütközések előfordulnak. Itt muonokká alakul. Amikor a tudósok kitalálták, hogy hol vannak a muonok, amelyeket detektoruk rögzített, megoldódott a B-mezonok problémája: amint kiderült, néhányuk sokkal távolabb esett a tengelyen, és ezeknek az "extra muonoknak" a végeredményhez való hozzájárulása pontosan magyarázta az elmélettel való eltérést.
De honnan származnak ezek az "extra" muonok?
Néhányuk a tengelytől 3 mm-re, ötnél és hétkor származik; Néhányuk teljesen a vákuumcsövön kívül található, ami valójában nem illeszkedik semmilyen kapuhoz.
A kialakuló fizikai „érzés” kapcsolódik ezekhez a részecskékhez. Ez a tiszteletreméltó tudomány szempontjából ritka szó valójában a lehető legjobb módon jellemzi az elméleti szakemberek és a kísérletezők izgalmát. Beszélgetések a valóságban a jelek által megállapított CDF együttműködés már dúl a szakmai blogok a fizikusok, és honlapján elektronikus preprintek a Cornell Egyetemen, egyre több elméleti magyarázat, amit láttak jelenik meg a harmadik napon egy sorban.
Új részecskék?
Elvileg nagyon sokféle oka lehet a szükségtelen, vagy amint azt a fizikusok mondják, a "háttér" részecskék megjelenésének, és a CDF együttműködésének cikkeinek többsége olyan jel megjelenésének lehetséges okainak elemzésére szolgál, amely nem vonzza a szabványon túl az "új fizikát". modellek. Talán nem vettünk figyelembe más részecskéket, amelyekből a muonok születnek - például a kozmikus sugarakat, vagy talán a Tevatronban született részecskék más bomlástermékeit vesszük figyelembe a muonok számára? Végül, valószínűleg a detektorban lévő jelek, amelyeket a muonok nyomaira veszünk, nem olyanok - zaj, statisztikai ingadozások, a kísérleti eredmények matematikai feldolgozása során alkalmazott dühös módszerek tárgyai?
Promóciós videó:
Az utolsó mű szerzői szerint nem sikerült "szabványos" magyarázatot találni.
Meg kell jegyezni, hogy az együttműködés csaknem egyharmada - a 600 emberből mintegy 200 - megtagadta az aláírásoknak a cikkre helyezését, amelyre már csaknem hat hónapig került sor "belső ellenőrzés" alatt. Által…
Minden úgy néz ki, mintha sikerült volna találni valami új részecske létezésének jeleit, amelyek sokkal hosszabb ideig élnek, mint a B-mezon, és nincs helyük az általunk ismert fizikában. A tudósok azonban még mindig tartózkodnak ilyen közvetlen állítástól: egy fizikus nemzedék tapasztalata, amely újra és újra meggyőződött a standard modell alkalmazhatóságáról a látszólag teljesen megmagyarázhatatlan jelenségekre, megérezteti magát. De lehetetlen egyszerűen figyelmen kívül hagyni csaknem 100 ezer eseményt, amelyeket a Földön még mindig legerősebb gázpedál egyik legjobb hangszere rögzített.
Az "extra" muonok tulajdonságai önmagukban csodálatosak. Az egyik leglenyűgözőbb, hogy nagyon gyakran "csomagokban" születtek - nem egy részecske egyszerre, hanem kettő, három, akár nyolc is. Ráadásul a születésük pillanatától kezdve nem minden irányba repültek ki, hanem nagyjából ugyanabba az irányba - a tudósok még a „muon jet” kifejezést is használják. És egy új ismeretlen részecske jellegzetes energiája - ha valóban létezik - több GeV. Más szavakkal, az "új fizika" - ha valóban elkezdjük megkülönböztetni a muon-ködben - nem a GeV ezer energiájában kezdődik, amelyet olyan szörnyek irányítanak, mint az LHC, hanem sokkal korábban.
És ezek a tulajdonságok meglepően közelítik a földi gyorsító eredményeit a néhány nappal korábban a PAMELA űrszemcsés érzékelővel közölt adatokkal.
Pozitron frakció az energia függvényében // PAMELA Group, arXiv.org
A PAMELA kísérlet eredményei Az
orosz műholdas "Resurs-DK1" fedélzetén található PAMELA nemzetközi kutatóautó megbízhatóan nagy energiájú pozitronokat vett fel a töltött tér áramlásában …
Sok asztrofizikus szerint a nagy energiájú pozitronok (elektronok elleni részecskék) feleslege a kozmikus sugarakban rejtélyes sötét anyag részecskéinek bomlásából vagy megsemmisítéséből adódik. Ez a fizika egy másik eleme, amely meghaladja a szabványos modellt, amelynek létezését (és még a tömeg uralmát is) az csillagászok már régóta ismerték, de nem tudtak mondani semmi érdemeset: ezért a sötét anyag, hogy nem látható, és jelenléte csak a gravitáció révén ad ki.
Sötét hatalom
Mint kiderült, a Princeton, a Harvard és a New York-i teoretikusok kvartettje már magyarázatot ad a PAMELA eredményekre, amelyek jól jöttek a Tevatron új adataival. Nima Arkanihamed és munkatársai szerint szuperszimmetrikus modelljük keretében egységes és természetes magyarázatot kapnak a PAMELA készülékkel megbízhatóan mért pozitronok többletére, a látszólag semmiből származó gamma-sugarak finom feleslegére, valamint a galaxis közepének ködös ragyogására gamma és más asztrofizikai műholdak által rögzített rádiónyalábok.
A modell szerint a sötét anyag részecskéinek tömege körülbelül 1000 GeV, és nem vesznek részt az általunk ismert interakciókban. Egy rövid hatótávolságú "sötét" erő segítségével viszont egymással hatnak, amelyet egy másik, körülbelül 1 GeV tömegű sötét részecske hordoz. Más szavakkal, a kölcsönhatás három szokásos típusához, amelyek csak a szokásos anyagokra hatnak (elektromágneses és nukleáris, gyenge és erős), egy további anyagot adnak hozzá, amely csak a sötét anyag világában hat. A gravitáció, mint általában, elkülönül, összekötve mindkét világot.
A teoretikusoknak szükségük volt a "sötét" erőre, hogy a sötét anyag részecskéit egyfajta "atomokká" kapcsolják, amelyekben az egyik sötét részecske negatív "sötét töltéssel", a másik pozitív "sötét töltéssel" rendelkezik. Csak az "atomok" képződése teszi lehetővé a sötét anyag elég intenzív megsemmisülését az asztrofizikai megfigyelések eredményeinek magyarázata céljából (ez az úgynevezett Sommerfeld-mechanizmus).
Azonban a "sötét" erőt hordozó részecske már a normál részecskék kibocsátásával közvetlenül bomlik, és Arkanihamed és kollégái szerint ez a részecske felelős az "extra" muonok megjelenéséért.
Sőt, a sötét töltéssel töltött sötét részecskék bomlása természetesen egy kaszkádban megy végbe, amíg el nem éri a legkönnyebben stabil sötét részecskét, amelybe semmi nem bomlik. Ennek a kaszkádnak az egyes lépései tartalmaznak egy részecskét - a sötét erő hordozóját, és ezért minden lépésnél megjelenhet egy extra muon. Olyan sok a mukonok számára a "csomagban". Nos, az a tény, hogy mind ugyanabba az irányba repülnek, egyszerűen annak a ténynek köszönhető, hogy a lebomló részecske gyorsan mozog - tehát az ünnepi tűzijáték töltései, amelyek felrobbannak, mielőtt elérnék a pályájuk legmagasabb pontját, előre dobják a teljes fényes szökőkútot. Annyira a "sugárhajtású" számára.
Az adatok közzététele a CDF és a PAMELA közreműködésével azonban kétségtelenül tucatnyi, ha nem több száz lehetséges magyarázatot eredményez az elkövetkező hónapokban. Tehát nem érdemes Arkanihamed modelljén lakozni. Eddig csak akkor különbözteti meg őt, hogy a bíróságra mutatott rá, amikor mind ezeket, mind más adatokat értelmezte.
Természetesen lehetséges, hogy mindkét kísérleti eredmény triviális magyarázatot fog kapni. Az "extra muonok" valószínűleg nem más, mint az óriás CDF telepítés instrumentális hatásának figyelmen kívül hagyása, és "extra pozitronok" keletkezhetnek a galaxisunkban lévő neutroncsillagok közelében.
De a kilátások érdekes. A sötét anyag világában, amely a közelmúltig formátlan zavarosságnak tűnt, amely mögött a csillagászok elrejtették a világ szerkezetével kapcsolatos félreértéseiket, szerkezet alakult ki - egyes interakciók, "sötét töltések", "sötét atomok". Talán a fizika még nem ért véget, és a tudósok új generációinak lesz valami tanulmányozni a "sötét világban".