Стандартният модел на физиката на елементарните частици може да бъде нарушен

Магнитът за съхранение на пръстена за експеримента Muon G-2 във Fermilab.

Ланкастър, Великобритания:

Като физик, работещ върху Големия адронен колайдер (LHC) в CERN, един от най-честите въпроси, които ми задават е „Кога ще намерите нещо?“ Устоявайки на желанието да отговоря саркастично „Освен бозона на Хигс, който спечели Нобеловата награда, и множество нови композитни частици?“, осъзнавам, че причината, поради която въпросът се задава толкова често, се дължи на това как сме изобразили напредъка в физиката на елементарните частици към останалия свят.

Често говорим за напредък по отношение на откриването на нови частици и често е така. Изучаването на нова много тежка частица ни помага да видим основните физически процеси, често без смущаващ фонов шум. Това прави по-лесно да се обясни стойността на откритието на обществеността и политиците.

Напоследък обаче серия от прецизни измервания на известни стандартни частици и процеси от блато заплашиха да разклатят физиката. И тъй като LHC се подготвя да работи с по-голяма енергия и интензивност от всякога, е време да започнем да обсъждаме подробно последствията.

Всъщност физиката на елементарните частици винаги е протичала по два начина, един от които са новите частици. Другият е чрез извършване на много прецизни измервания, които тестват прогнозите на теориите и търсят отклонения от очакваното.

Ранните доказателства за общата теория на относителността на Айнщайн, например, идват от откриването на малки отклонения във видимите позиции на звездите и движението на Меркурий в неговата орбита.

Три ключови констатации

Частиците се подчиняват на противоинтуитивна, но изключително успешна теория, наречена квантова механика. Тази теория показва, че частиците, твърде масивни, за да бъдат създадени директно в лабораторен сблъсък, все още могат да повлияят на това, което правят другите частици (чрез нещо, наречено “квантови флуктуации”). Измерванията на подобни ефекти обаче са много сложни и много по-трудни за обяснение на обществеността.

Но последните резултати, които намекват за необяснима нова физика извън стандартния модел, са от този втори вид. Подробни проучвания на експеримента LHCb установиха, че частица, известна като кварк за красота (кварките съставляват протоните и неутроните в атомното ядро), се “разпада” (разпада се) в електрон много по-често, отколкото в мюон: електронът е по-тежък , но иначе идентични, брато. Според стандартния модел това не трябва да се случва, което предполага, че нови частици или дори природни сили могат да повлияят на процеса.

Изображение на експеримента LHCb.
LHCb експеримент.ЦЕРН

Интересно е обаче, че измерванията на подобни процеси, включващи “върховите кварки” от експеримента ATLAS в LHC, показват, че този разпад се случва със същата скорост за електрони и мюони.

Междувременно експериментът Muon g-2 във Fermilab в САЩ наскоро направи много прецизни проучвания за това как мюоните се „клащат“, докато тяхното „въртене“ (квантово свойство) взаимодейства с околните магнитни полета. Той установи малко, но значително отклонение от някои теоретични прогнози, което отново предполага, че може да действат неизвестни сили или частици.

Последният изненадващ резултат е мярка за масата на фундаментална частица, наречена W бозон, която носи слабата ядрена сила, която управлява радиоактивния разпад. След много години на събиране и анализ на данни, експериментът, също във Fermilab, предполага, че той е значително по-тежък, отколкото теорията предвижда, като се отклонява с количество, което не би се случило случайно в повече от милион експеримента. Още веднъж може да се окаже, че все още неоткритите частици добавят към неговата маса.

Интересно е обаче, че това също е в противоречие с някои по-ниско прецизни измервания от LHC (представени в това проучване и това).

Присъдата

Въпреки че не сме напълно сигурни, че тези ефекти изискват ново обяснение, изглежда се набират доказателства, че е необходима някаква нова физика.

Разбира се, ще бъдат предложени почти толкова нови механизми, които да обяснят тези наблюдения, колкото и теоретичните. Мнозина ще търсят различни форми на “суперсиметрия”. Това е идеята, че в Стандартния модел има два пъти повече фундаментални частици, отколкото си мислехме, и всяка частица има „суперпартньор“. Те могат да включват допълнителни бозони на Хигс (свързани с полето, което дава масата на фундаменталните частици).

Други ще отидат по-далеч, като се позовават на по-скорошни модни думи като “technicolor”, което би означавало, че има допълнителни сили на природата (освен гравитацията, електромагнетизма и силните и слабите ядрени сили) и може да означава, че Хигс всъщност е композит обект, направен от други частици. Само експериментите ще разкрият истината по въпроса, което е добра новина за експериментаторите.

Всички експериментални екипи зад новите открития са високо уважавани и работят по проблемите от дълго време. Въпреки това не е неуважително към тях да посочат, че тези измервания са изключително трудни за извършване. В допълнение, прогнозите на стандартния модел обикновено изискват изчисления, в които трябва да се направят приближения. Това означава, че различните теоретици могат да предскажат малко различни маси и скорости на разпадане в зависимост от предположенията и нивото на направено приближение. Така че може да се окаже, че когато правим по-точни изчисления, някои от новите открития отговарят на стандартния модел.

По същия начин може да се окаже, че изследователите използват едва доловимо различни интерпретации и следователно намират непоследователни резултати. Сравняването на два експериментални резултата изисква внимателна проверка дали и в двата случая е използвано едно и също ниво на приближаване.

И двете са примери за източници на „систематична несигурност“ и докато всеки участващ прави всичко възможно да ги определи количествено, могат да възникнат непредвидени усложнения, които ги подценяват или надценяват.

Нищо от това не прави настоящите резултати по-малко интересни или важни. Това, което илюстрират резултатите, е, че има множество пътища към по-задълбочено разбиране на новата физика и всички трябва да бъдат проучени.

С рестартирането на LHC все още има изгледи за генериране на нови частици чрез по-редки процеси или открити скрити под фон, който все още не сме разкрили.Разговорът

(Автор: Роджър Джоунс, професор по физика, ръководител на катедра, Университет Ланкастър)

Декларация за разкриване: Роджър Джоунс получава финансиране от STFC. Член съм на сътрудничеството ATLAS

Тази статия е препубликувана от The Conversation под лиценз Creative Commons. Прочетете оригиналната статия.

(С изключение на заглавието, тази история не е редактирана от служителите на NDTV и е публикувана от синдикиран канал.)

.

Add Comment