Znakovi "nove fizike" pojavili su se u dva velika pokusa. Hadron sudarač Tevatron zabilježio je čestice tamo gdje ih ne bi trebalo biti, a u svemirskom pokusu PAMELA pronađeni su tragovi raspada čestica tamne materije. Obje se činjenice dobro uklapaju u teoriju da "tamna sila" postoji
Dok se Veliki hadronski sudarač (LHC) priprema za popravak nakon velike rujanske nesreće, američki Tevatron, koji je preživio posljednjih mjeseci kao najmoćniji akcelerator na planeti, donio je fizičarima neočekivano iznenađenje. Krajem prošlog tjedna, suradnici CDF-a koji rade na istoimenom divovskom detektoru čestica Tevatron objavili su pretispis u kojem opisuju nešto što nadilazi gotovo sveti standardni model elementarnih čestica za fizičare.
Ako se pokaže da ovaj signal nije neki neprihvaćeni pozadinski učinak, ovo otkriće bit će prvi zemaljski dokaz ograničenja standardnog modela.
Zemaljski u smislu da astrofizičari već dugo poznaju tamnu materiju i tamnu energiju, koji se također ne uklapaju u Standardni model. Istina, o svojstvima čestica koje čine tamnu materiju praktički se ništa ne zna.
Tevatron i dodatni muoni
Pomoću detektora CDF, fizičari proučavaju čestice nastale sudarom protona - pozitivno nabijenih čestica koje čine sva atomska jezgra, a antiprotoni - njihove negativno nabijene antipode. U tevatronskom akceleratoru, kao što mu ime kaže, ove se čestice ubrzavaju do energije od gotovo 1 TeV, odnosno 1000 GeV - tisuću milijardi elektron-volti, a energija sudara je, u skladu s tim, gotovo 2000 GeV, što omogućava proizvodnju raznih, čak i vrlo masivnih elementarne čestice.
Međutim, čak nije moguće jednostavno popraviti postojanje većine zanimljivih čestica. U pravilu su nestabilne i pretvaraju se u nekoliko lakših čestica u malom djeliću sekunde. Svojstva proizvoda propadanja detektor mjeri, a fizičari tada, u skladu s dobro poznatom metaforom, "pokušavaju vratiti satni sat, ispitujući fragmente zupčanika sata koji se sudaraju pri gotovo svjetlosti".
Jedan od najpopularnijih "prijenosnika" ove vrste je muon. Po svojim svojstvima, muoni su vrlo slični običnim elektronima koji okružuju atomska jezgra. Međutim, muoni su mnogo masivniji i stoga imaju posebnu vrijednost za eksperimentalne fizičare. Prvo, teže ih je "zavesti" kada naiđu na protone i elektrone detektora, i drugo, u samim se sudarima rodi sve manje njih i lakše je razabrati njihove tragove u detektoru nego zapletene putanje brojnih elektrona.
Jedna od čestica koja se aktivno proučavala pomoću muona je takozvani B-mezon, koji uključuje teški b-kvark (ili antikvark).
I ovdje su muoni dugo vremena vodili eksperimentalce za nos.
Teorija strukture i interakcije kvarkova - kvantna kromodinamika - omogućuje vam izračunavanje vjerojatnosti produkcije B-mezona i njihovog sudjelovanja u različitim interakcijama. Otuda je moguće procijeniti broj muona koji će se roditi tijekom raspada ovih čestica. Međutim, u pokusu je proizvedeno mnogo više muona nego što je bilo planirano. Štoviše, druga metoda mjerenja svojstava B-mezona pokazala je rezultate koji su u boljem i boljem suglasju s teorijom. Dakle, eksperimentatori su imali sve manje razloga optuživati teoretičare da ne znaju računati (a proračuni u kvantnoj kromodinamici izuzetno su teški).
Razlog tih odstupanja dugo je ostao misterija, sve dok znanstvenici nisu otkrili da neki od muona, koje su fizičari dugo uzimali za produkte raspada B-mezona, u stvari nemaju nikakve veze s njima. Činjenica je da B-meson živi vrlo kratko vrijeme i da je rođen u sudaru protona i antiprotona, uspijeva poletjeti daleko od osi vakuumske cijevi, gdje se događaju sudari, samo za 1–2 mm. Ovdje se raspada u muone. Kada su znanstvenici shvatili gdje su muoni koje je otkrio njihov detektor, problem B-mezona riješen je: kako se ispostavilo, neki od njih nastali su mnogo dalje od osi, a doprinos tih "dodatnih muona" konačnom rezultatu upravo je objasnio nesklad s teorijom.
Ali odakle dolaze oni "dodatni" muoni?
Neki od njih potječu na 3 mm od osi, na pet i na sedam; neke su potpuno izvan vakuumske cijevi, što se stvarno ne uklapa ni u jedna vrata.
Nastavno fizičko "osjećanje" povezano je s tim česticama. Ova riječ, rijetka za uglednu znanost, zapravo na najbolji mogući način karakterizira uzbuđenje teoretičara i eksperimentatora. Rasprave o stvarnosti signala pronađene suradnjom CDF-a već se raspiruju na profesionalnim blogovima fizičara, a na web stranici elektroničkih pretiskava na Sveučilištu Cornell već treći dan zaredom pojavljuju se sve više teorijskih objašnjenja za ono što su vidjeli.
Nove čestice?
U principu, može postojati velik broj razloga za pojavu nepotrebnih, ili, kako fizičari kažu, "pozadinskih" čestica, a veći dio članka suradnjom CDF-a posvećen je analizi mogućih razloga za pojavu signala koji ne odgovara "novoj fizici" izvan standarda modeli. Možda nismo uzeli u obzir neke druge čestice iz kojih se rađaju muoni - na primjer, kozmičke zrake, ili možda za muone uzimamo druge proizvode raspada čestica rođenih u Tevatronu? Napokon, možda signali u samom detektoru, koje uzimamo za tragove muona, nisu takvi - buka, statističke fluktuacije, artefakti bijesnih metoda matematičke obrade eksperimentalnih rezultata?
Promotivni video:
Prema autorima posljednjeg djela, nisu uspjeli pronaći „standardno“objašnjenje.
Treba napomenuti da je gotovo trećina suradnje - oko 200 od 600 ljudi - odbila staviti svoje potpise na članak, koji je bio podvrgnut "unutarnjoj reviziji" gotovo šest mjeseci. Po…
Sve izgleda kao da su uspjeli pronaći znakove postojanja neke nove čestice koja živi mnogo duže od B-mezona, a nema mjesta u fizici koju poznajemo. Međutim, znanstvenici se još uvijek suzdržavaju od takve izravne izjave: daje se osjećaj cijele generacije fizičara, iznova i iznova uvjerenih u primjenjivost standardnog modela na naizgled potpuno neobjašnjive pojave. Ali nemoguće je jednostavno ignorirati gotovo 100 tisuća događaja zabilježenih jednim od najboljih instrumenata još uvijek najmoćnijeg akceleratora na Zemlji.
Svojstva "ekstra" muona zadivljujuća su i sama po sebi. Jedno od najupečatljivijih je to što su se vrlo često rađali u "čoporima" - ne jedna čestica odjednom, već dvije, tri, čak osam istodobno. Osim toga, u pravilu, s mjesta na kojem su rođeni nisu letjeli u svim smjerovima, već u približno istom smjeru - znanstvenici čak koriste izraz "muonski mlaz". A karakteristična energija nove nepoznate čestice - ako ona zaista postoji - je nekoliko GeV. Drugim riječima, "nova fizika" - ako je stvarno počnemo razlikovati u muonskoj magli - započinje energijama ne u tisućama GeV-a, na koja su usmjerena čudovišta poput LHC-a, ali mnogo ranije.
I ta svojstva nevjerojatno približavaju rezultate zemaljskog akceleratora s podacima objavljenim samo nekoliko dana ranije iz svemirskog detektora PAMELA.
Frakcija pozitrona kao funkcija energije // PAMELA Group, arXiv.org
Rezultati eksperimenta PAMELA
Međunarodno istraživačko vozilo PAMELA na ruskom umjetnom satelitu "Resurs-DK1" pouzdano je zabilježilo višak visokoenergetskih pozitrona u protoku nabijenog prostora …
Prema mnogim astrofizičarima, višak visokoenergetskih pozitrona (antičestica na elektrone) u kozmičkim zrakama nastaje propadanjem ili uništavanjem čestica misteriozne tamne materije. To je još jedan element fizike izvan standardnog modela, čije postojanje (pa čak i dominacija u masi) astronomi već dugo znaju, ali ne mogu reći ništa vrijedno: zato je tamna tvar, da nije vidljiva, a njezina prisutnost odaje se samo gravitacijom.
Mračna snaga
Kako se ispostavilo, kvartet teoretičara iz Princetona, Harvarda i New Yorka već ima objašnjenje rezultata PAMELA-e, što je dobro došlo s novim podacima iz Tevatrona. Prema Nima Arkanihamedu i njegovim kolegama, u okviru njihovog supersimetričnog modela dobiva se jedinstveno i prirodno objašnjenje za višak pozitrona koji se pouzdano mjere PAMELA aparatom, suptilan višak gama zraka koji dolazi naizgled niotkuda i maglovit sjaj centra galaksije u gami i radio zrake koje su zabilježili drugi astrofizički sateliti.
U skladu s modelom, čestice tamne materije imaju masu od oko 1000 GeV i ne sudjeluju u interakcijama koje poznajemo. Međutim, oni djeluju jedni na druge uz pomoć "tamne" sile kratkog dometa, koju nosi druga tamna čestica mase oko 1 GeV. Drugim riječima, tri uobičajene vrste interakcija, koje djeluju samo na običnu materiju (elektromagnetsku i nuklearnu, slabu i jaku), dodaje se još jedna, koja djeluje samo u svijetu tamne materije. Gravitacija je, kao i obično, odvojena i povezuje oba svijeta.
Teoretičarima je bila potrebna "mračna" sila da veže čestice tamne materije u svojevrsne "atome", u kojima jedna od tamnih čestica ima negativan "tamni naboj", a druga ima pozitivan "tamni naboj". Samo formiranje "atoma" omogućuje tamnoj materiji da se dovoljno intenzivno uništi da bi se objasnili rezultati astrofizičkih opažanja (ovo je takozvani Sommerfeldov mehanizam).
Međutim, čestica koja nosi "tamnu" silu može već propadati izravno emisijom običnih čestica, a upravo je ta čestica, prema Arkanihamedu i njegovim kolegama, možda odgovorna za pojavu "dodatnih" muona.
Nadalje, raspadanje tamnih čestica nabijenih tamnim nabojem, prirodno se odvija u kaskadi dok ne pogodi najslađu stabilnu tamnu česticu, u koju se ništa ne može raspasti. Svaki korak ove kaskade uključuje česticu - nosač tamne sile, i stoga se na svakom koraku može pojaviti dodatni muon. Toliko o muonima u "čoporima". Pa, činjenica da svi lete u istom smjeru, jednostavno je posljedica činjenice da se raspadajuća čestica brzo kreće - pa naboji svečanog vatrometa, koji eksplodiraju prije nego što dosegnu najvišu točku putanje, izbacuju naprijed čitave fontane jarkih svjetala. Toliko o "jeti".
Međutim, objavljivanje podataka suradnjom CDF-a i PAMELA nesumnjivo će dovesti do pojave desetaka, ako ne i stotina, mogućih objašnjenja u narednim mjesecima. Tako da možda nije vrijedno detaljnije se baviti Arkanihamedovim modelom. Do sada se razlikuje samo po tome što je bila na sudu prilikom tumačenja i onih i drugih podataka.
Naravno, moguće je da će oba eksperimentalna rezultata dobiti više trivijalna objašnjenja. "Dodatni muoni" mogu se pokazati da nisu ništa drugo doli nepriznati instrumentalni učinak divovske CDF instalacije, a "ekstra pozitroni" mogu se stvoriti u blizini neutronskih zvijezda u našoj Galaksiji.
Ali izgledi su intrigantni. U svijetu tamne materije, koji je donedavno izgledao kao bezoblična zamućenost iza koje astronomi kriju svoje nerazumijevanje strukture svijeta, počela je nastajati struktura - neke interakcije, "tamni naboji", "tamni atomi". Možda fizika nije gotova, a nove generacije znanstvenika će imati što proučiti u "mračnom svijetu".
