Märgid "uuest füüsikast" ilmusid kahes suuremas katses. Tevatron Hadron Collider registreeris osakesed seal, kus nad ei tohiks olla, ja PAMELA kosmosekatse avastas jälgi tumeda aine osakeste lagunemisest. Mõlemad faktid sobivad hästi teooriaga, et "tume jõud" eksisteerib
Kui Suur Hadroni kokkupõrge (LHC) valmistub pärast suurt septembrikuist õnnetust remondiks, on Ameerika Tevatron, kes on viimased kuud planeedi võimsaima kiirendina üle elanud, esitanud füüsikutele ootamatu üllatuse. Eelmise nädala lõpus avaldasid samanimelise hiiglasliku Tevatroni osakeste detektoriga töötavad CDF-i koostööpartnerid eeltrüki, milles kirjeldati midagi, mis ületab füüsikute jaoks peaaegu püha elementaarsete osakeste standardset mudelit.
Kui see signaal osutub taustmõjuga arvestamata, on see avastus esimene maine tõend standardmudeli piirangute kohta.
Maapealne selles mõttes, et astrofüüsikud on juba ammu teadnud tumedat ainet ja tumedat energiat, mis samuti ei sobi standardmudelisse. Tõsi, tumeda aine moodustavate osakeste omaduste kohta pole praktiliselt midagi teada.
Tevatron ja lisamonid
CDF-detektoriga uurivad füüsikud prootonite kokkupõrkel tekkinud osakesi - positiivselt laetud osakesi, mis moodustavad kõiki aatomituumasid, ja antiprotoneid - nende negatiivselt laetud antipoode. Nagu nimigi ütleb, kiirendatakse Tevatroni kiirendis neid osakesi energiateni peaaegu 1 TeV ehk 1000 GeV - tuhat miljardit elektronvolti ja kokkupõrke energia on vastavalt peaaegu 2000 GeV, mis võimaldab luua mitmesuguseid, isegi väga massilisi elementaarosakesed.
Kuid enamike huvipakkuvate osakeste olemasolu lihtsalt pole võimalik lihtsalt kindlaks teha. Reeglina on need ebastabiilsed ja muutuvad sekundi pisikese murdosa jooksul mitmeks kergemaks osakeseks. See on lagunemissaaduste omadused, mida mõõdab detektor ja füüsikud siis vastavalt tuntud metafoorile "proovivad taastada kellavärgi struktuuri, uurides kella käikude fragmente, mis põrkasid peaaegu valguse kiirusel."
Üks populaarsemaid sedalaadi "käike" on müon. Oma omaduste poolest on kuunid väga sarnased tavaliste elektronidega, mis tiirlevad aatomituumades. Kuid muunid on palju massilisemad ja seetõttu on need eksperimentaalfüüsikute jaoks eriti väärtuslikud. Esiteks on neid keerulisem "eksitada", kui nad puutuvad kokku detektori prootonite ja elektronidega, ja teiseks, iseenesest kokkupõrgetes sünnib neid vähem, ja nende jälgi detektoris on lihtsam lahti harutada kui arvukate elektronide takerdunud trajektoore.
Üks osakestest, mida on aktiivselt uuritud müonide abil, on niinimetatud B-mesoon, mis sisaldab rasket b-kvarki (või antiikärki).
Ja siin juhtisid muunid pikka aega katsetajaid ninapidi.
Kvarkide struktuuri ja interaktsiooni teooria - kvantkromodünaamika - võimaldab arvutada B-mesoonide tekke tõenäosuse ja nende osaluse erinevates interaktsioonides. Seega on võimalik hinnata nende osakeste lagunemise ajal sündivate kuukingade arvu. Kuid katses toodeti kavandatust palju rohkem kujusid. Veelgi enam, teine B-mesoonide omaduste mõõtmise meetod näitas tulemusi, mis on teooriaga paremini ja paremini kooskõlas. Nii oli eksperimenteerijatel üha vähem põhjust teoreetikuid süüdistada, et nad ei teadnud, kuidas loendada (ja arvutused kvantkromodünaamikas on äärmiselt rasked).
Nende lahknevuste põhjus jäi pikka aega saladuseks, kuni teadlased leidsid, et mõnel muulil, mida füüsikud võtsid pikka aega B-mesoonide lagunemissaaduste jaoks, polnud tegelikult nendega mingit pistmist. Fakt on see, et B-mesoon elab väga lühikest aega ja olles sündinud prootonite ja antiprotoonide kokkupõrkes, suudab ta vaakumtoru teljest, kus kokkupõrked aset leiavad, lennata vaid 1–2 mm. Siin laguneb see muulideks. Kui teadlased mõistsid välja, kus nende detektorite tuvastatud koonid leidsid, lahendati B-mesoonide probleem: nagu selgus, tekkisid mõned neist teljest palju kaugemale ja nende "lisamonide" panus lõpptulemuses selgitas täpselt lahknevust teooriaga.
Aga kust need "ekstra" mündid pärinevad?
Mõned neist on pärit teljest 3 mm kaugusel, viis ja seitse; mõned asuvad täielikult vaakumtorust väljaspool, mis tegelikult ei mahu ühegi värava sisse.
Tekkiv füüsiline "sensatsioon" on nende osakestega seotud. See auväärse teaduse jaoks haruldane sõna iseloomustab teoreetikute ja eksperimenteerijate erutust tegelikult parimal võimalikul viisil. Arutelud reaalsus signaalide poolt leitud CDF koostöö on juba tulivihane kohta professionaalse blogid füüsikud ja veebilehel elektrooniliste eeltrükke Cornelli Ülikooli, rohkem ja rohkem teoreetiline selgitused, mida nad nägid ilmuvad kolmandat päeva järjest.
Uusi osakesi?
Põhimõtteliselt võib tarbetute või, nagu füüsikud väidavad, "tausta" osakeste ilmnemise põhjuseid väga palju, ja suurem osa CDF-i koostöö artiklist on pühendatud signaali ilmnemise võimalike põhjuste analüüsile, mis ei meeldi standardile ületava "uue füüsika" jaoks. mudelid. Võib-olla ei võtnud me arvesse mõningaid muid osakesi, millest müoonid sünnivad - näiteks kosmilised kiired, või võtame võib-olla muonide jaoks Tevatronis toodetud osakeste muid lagunemisprodukte? Lõpuks, võib-olla pole detektoris endas olevad signaalid, mida võtame kuude jälgede jaoks, sellised - müra, statistilised kõikumised, katseliste tulemuste matemaatilise töötlemise raevukas meetodite esemed?
Reklaamvideo:
Viimase töö autorite sõnul ei õnnestunud neil "standardset" seletust leida.
Tuleb märkida, et peaaegu kolmandik koostööst - umbes 200 inimest 600-st - keeldus oma allkirju panemast artiklile, millel oli peaaegu kuus kuud läbi viidud "siseaudit". Kõrval…
Kõik näib nii, nagu oleks neil õnnestunud leida märke mõne uue osakese olemasolust, mis elab palju kauem kui B-mesoon, ja sellel pole meie teada olevas füüsikas kohta. Kuid teadlased hoiduvad siiski sellisest otsesest väitest: terve füüsikute põlvkonna kogemus, kes on ikka ja jälle veendunud standardmudeli rakendamises näiliselt täiesti seletamatute nähtuste suhtes, annab endast tunda. Kuid võimatu on lihtsalt ignoreerida peaaegu 100 tuhat sündmust, mis on salvestatud Maa endiselt kõige võimsama kiirendi ühe parima instrumendi abil.
"Extra" kuunide omadused on iseenesest hämmastavad. Üks hämmastavamaid on see, et nad on sündinud väga sageli "pakkides" - mitte üks osake korraga, vaid kaks, kolm, isegi kaheksa korraga. Lisaks sellele ei lendanud nad reeglina alates sündimiskohast välja kõigis suundades, vaid umbes samas suunas - teadlased kasutavad isegi mõistet "müon jet". Ja uue tundmatu osakese iseloomulik energia - kui see tõesti olemas on - on mitu GeV. Teisisõnu, kui "uus füüsika" - kui me tõesti hakkame seda eristama müoni udus - algab energiatest mitte tuhandetes GeV-des, kuhu LHC-taolised koletised on suunatud, vaid palju varem.
Ja need omadused lähendavad hämmastavalt maapealse kiirendi tulemusi vaid mõni päev varem kosmose osakestevastase detektori PAMELA abil avaldatud andmetega.
Positronifraktsioon energia funktsioonina // PAMELA Group, arXiv.org
PAMELA eksperimendi tulemused
Venemaa tehissatelliidi Resurs-DK1 pardal asuv rahvusvaheline uurimissõiduk PAMELA on laetud kosmosevoos usaldusväärselt registreerinud liigse hulga kõrge energiaga positrone …
Paljude astrofüüsikute sõnul tuleneb suure energiatarbega positronite (elektronide vastaste osakeste) liig kosmilistes kiirtes salapäraste tumeda aine osakeste lagunemisest või hävitamisest. See on veel üks tavamudelist väljuv füüsika element, mille olemasolust (ja isegi massi domineerimisest) astronoomid on juba ammu teadnud, kuid ei oska midagi väärtuslikku öelda: sellepärast on tegemist tumeainega, et see pole nähtav, ja annab oma kohaloleku välja ainult gravitatsiooni kaudu.
Tume jõud
Nagu selgus, on Princetoni, Harvardi ja New Yorgi teoreetikute nelikul juba PAMELA tulemuste seletus, mis tuli kasuks koos Tevatroni uute andmetega. Nima Arkanihamedi ja tema kolleegide sõnul saadakse nende supersümmeetrilise mudeli raames ühtne ja loomulik seletus PAMELA aparaadiga usaldusväärselt mõõdetavate positronite ületamisele, näiliselt mitte kuskilt tulevale gammakiirte ülemäärasele hulgale ja galaktika keskpunkti udusele udule särale gammas ja raadiosagedused, mis on salvestatud teiste astrofüüsiliste satelliitide abil.
Vastavalt mudelile on tumeaineosakeste mass umbes 1000 GeV ja nad ei osale meie teadaolevates interaktsioonides. Kuid nad mõjutavad üksteist lähitoimes oleva "tumeda jõu" abil, mida kannab veel üks tume osake, mille mass on umbes 1 GeV. Teisisõnu, kolmele tavalisele interaktsioonitüübile, mis toimivad ainult tavalisel ainel (elektromagnetiline ja tuumaenergia, nõrk ja tugev), lisatakse veel üks, mis toimib ainult tumeda aine maailmas. Gravitatsioon, nagu tavaliselt, seisab lahus, sidudes mõlemad maailmad.
Teoreetikud vajasid "tumedat" jõudu, et siduda tumeda aine osakesed omamoodi "aatomiteks", milles ühel tumedatest osakestest on negatiivne "tume laeng" ja teisel on positiivne "tume laeng". Ainult "aatomite" moodustumine võimaldab tumeda aine hävimist piisavalt intensiivselt, et selgitada astrofüüsikaliste vaatluste tulemusi (see on niinimetatud Sommerfeldi mehhanism).
Osake, mis kannab "tumedat" jõudu, võib aga juba tavaliste osakeste eraldumisega otse laguneda ning just see osake võib Arkanihamedi ja tema kolleegide sõnul olla vastutav "ekstra" kuunide ilmumise eest.
Veelgi enam, tumeda laenguga laetud tumedate osakeste lagunemine toimub loomulikult kaskaadis, kuni see jõuab kõige kergema stabiilse tumeda osakeseni, millesse ei ole midagi laguneda. Selle kaskaadi igal sammul on osake - tumeda jõu kandja ja seetõttu võib igal sammul ilmuda täiendav müon. Nii palju "pakkides" olevate koonu jaoks. Noh, asjaolu, et nad kõik lendavad samas suunas, tuleneb lihtsalt sellest, et lagunev osake liigub kiiresti - nii et enne nende trajektoori kõrgeimasse kohta jõudmist plahvatavad piduliku ilutulestiku laengud viskavad terved eredate tulede purskkaevud ette. Nii palju "jeti" jaoks.
Andmete avaldamine CDF-i ja PAMELA-koostöö kaudu viib kahtlemata järgmiste kuude jooksul kümnete, kui mitte sadade võimalike selgituste ilmumiseni. Nii et võib-olla ei tasuks Arkanihamedi mudeli järgi elama jääda. Siiani eristab teda ainult see, et ta osutus nii nende kui ka muude andmete tõlgendamisel kohtusse.
Muidugi on võimalik, et mõlemad eksperimentaalsed tulemused saavad triviaalsemaid selgitusi. "Lisamonioonid" võivad osutuda midagi muud kui hiiglasliku CDF-i installatsiooni tähelepanuta jäetud efekt ja meie galaktikas võib neutronitähtede läheduses tekkida "lisapostroneid".
Kuid väljavaated on intrigeerivad. Pimeda aine maailmas, mis alles hiljuti tundus vormitu hägususena, mille taha astronoomid varjavad oma arusaamatust maailma struktuurist, hakkas tekkima struktuur - mõned koostoimed, "tumedad laengud", "tumedad aatomid". Võib-olla pole füüsika veel läbi ja uutel põlvkondadel teadlastel on midagi, mida "pimedas maailmas" uurida.
