мод на адронный коллайдер в майнкрафт
Ученые, возможно, открыли новую силу природы
Стандартная модель классической физики, которая, как всегда казалось, описывает свойства всех элементарных частиц, не в состоянии объяснить результаты экспериментов на детекторе LHCb Большого адронного коллайдера CERN. Впервые подобный «необъяснимый» эксперимент был проведен полтора года назад. Тогда, в марте 2020 года, были получены свидетельства существования частиц, которых согласно Стандартной модели в природе, т.е. во вселенной, быть не должно.
Сейчас, после того, как точно такие же результаты получили физики лаборатории Кавендиша в Кембридже, разговоры о появлении Новой физики вспыхнули с новой силой. Классическая или фундаментальная физика, конечно, объясняет все известные нам элементарные частицы, существующие во вселенной, но физики не один год знали, что она не может объяснить, например, как в результате Большого взрыва появилась материя. Не в состоянии она объяснить и таинственную темную материю, которой, как утверждают астрономы, в пять раз больше той материи, из которой состоит видимый мир вокруг нас.
Результатом такой неопределенности стали многолетние поиски физики, отличной от Стандартной модели, в надежде, что она поможет объяснить хотя бы часть тайн и загадок.
Эффективнее и проще всего искать новые частицы и силы, изучая бьюти-кварки (В-кварки), «родственников» известных физикам кварков, из которых состоят ядра всех атомов.
В-кварков в нашем мире крайне мало, потому что живут они очень недолго и через триллионную долю секунды или распадаются на другие частицы, или вообще исчезают. Легче всего изучать свойства бьюти-кварков на Большом адронном коллайдере, который ежегодно производит миллиарды этих частиц. На их распад может влиять существование неизвестных сил и/или частиц.
В марте прошлого года группа ученых опубликовала результаты эксперимента на детекторе LHCb, из которых следовало, что В-кварки реже распадаются на мюоны, чем на их более легкие версии – электроны. Стандартная модель такую избирательность бьюти-кварков объяснить не в состоянии. В ней мюоны и электроны отличаются лишь весом: электроны приблизительно в 200 раз легче. Поэтому согласно Стандартной модели бьюти-кварки должны распадаться на мюоны и электроны в одинаковых количествах. Однако физики, работающие на LHCb, утверждают, что в их опыте В-кварки распадались на электроны на 15% чаще, чем на мюоны.
Разница в результатах опыта на LHCb с законами Стандартной модели составляет приблизительно три единицы экспериментальной ошибки или, как это называется в физике частиц, 3 сигмы. Если проще, то это значит, что существует приблизительно один шанс из тысячи того, что результат загадочного эксперимента объясняется статистической погрешностью.
Если предположить, что физики не ошиблись, то наиболее логичным объяснением необъяснимого эксперимента является существование таинственной силы, которая по-разному действует на электроны и мюоны и которая влияет на процесс распада В-кварков.
Конечно, для окончательного устранения возможности совершения экспериментальной ошибки, необходимо больше данных, т.е. экспериментов. При достижении порога 5 сигм, когда доля вероятности не дотягивает и до одной миллионной, результаты опытов можно считать настоящим открытием.
«Получение нами тех же результатов, что были у наших коллег в марте,- говорит профессор Гарри Клифф из лаборатории Кавендиша,- увеличивает шансы того, что мы вплотную подошли к открытию чего-то по-настоящему нового…»
В ходе октябрьского эксперимента анализировался распад двух бьюти-кварков того же вида, что использовались полутора годами ранее. Британские физики подсчитали, что на электроны они распадаются на 30% чаще, чем на мюоны. В этот раз ошибка больше. Это означает, что отклонение было около двух сигм. Т.е. вероятность статистической погрешности немногим более 2%.
Сам по себе этот вывод, конечно, не является окончательным и решающим, но он добавляет в копилку новые факты, говорящие, что физики столкнулись с неизвестными силами, которые им предстоит найти.
Результаты исследований из Большого Адронного Коллайдера намекают на существование неизвестной силы в природе
В марте Большой Адронный Коллайдер (БАК) вызвал всеобщее волнение, поскольку в ходе исследования элементарных частиц были получены обнадеживающие доказательства существования возможно, новой природной силы. В настоящее время результаты полученные с помощью гигантского коллайдера частиц в ЦЕРНе, которые еще не подверглись экспертной оценке, похоже, еще больше подкрепляют эту теорию.
Стандартная модель
Лучшая на сегодняшний день теория частиц и сил известна как стандартная модель, которая с безошибочной точностью описывает все, что мы знаем о физических элементах, составляющих окружающий нас мир. Стандартная модель, без сомнения, является самой успешной научной теорией из когда-либо существовавших, но в то же время мы знаем, что она несовершенна.
Известно, что она описывает только три из четырех фундаментальных сил — электромагнитные силы, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц, не принимая во внимание гравитацию.
В ней нет объяснения темной материи, которая, как свидетельствует астрономия, доминирует во Вселенной, и она не может объяснить, как материя сохранилась во время Большого взрыва. Поэтому большинство физиков уверены, что космические компоненты еще предстоит обнаружить, и изучение ряда фундаментальных частиц, известных как кварки красоты, является особенно перспективным способом получить подсказки о том, что еще может быть там.
Кварки красоты
Кварки красоты, иногда называемые нижними кварками, являются фундаментальными частицами, которые, в свою очередь, образуют более крупные частицы. Существует шесть видов кварков, которые называются «верхний», «нижний», «странный», «очарованный», «красивый» и «истинный». Верхние и нижние кварки, например, образуют протоны и нейтроны в атомном ядре.
Кварки красоты нестабильны, живут в среднем всего около 1,5 триллионных долей секунды, прежде чем распасться на другие частицы. На способ распада кварков красоты может сильно повлиять существование других фундаментальных частиц или сил. Когда кварк красоты распадается, он превращается в набор более легких частиц, таких как электроны, под воздействием слабой силы. Один из способов, которым новая сила природы может дать о себе знать — это тонкое изменение частоты распада кварков красоты на различные типы частиц.
Ключ в исследовании
Мартовская статья была основана на данных эксперимента LHCb, одного из четырех гигантских детекторов частиц, которые регистрируют результаты сверх высокоэнергетических столкновений, происходящих на БАК. (Буква «b» в LHCb означает «красота»). Было обнаружено, что кварки красоты распадаются на электроны и их более тяжелые родственники, называемые мюонами, с разной скоростью. Это было поразительно, потому что, согласно стандартной модели, мюон является практически углеродной копией электрона — идентичным во всех отношениях, за исключением того, что он примерно в 200 раз тяжелее. Это означает, что все силы должны притягивать электроны и мюоны с одинаковой силой — когда кварк красоты распадается на электроны или мюоны под действием слабых сил, он должен делать это одинаково часто.
Вместо этого ученые обнаружили, что распад мюонов происходит примерно на 85% чаще, чем распад электронов. Если предположить, что результат верен, то объяснить такой эффект можно только тем, что какая-то новая сила природы, которая по-разному притягивает электроны и мюоны, вмешивается в процесс распада кварков красоты.
Результат вызвал огромное волнение среди физиков элементарных частиц. Десятилетиями ученые искали признаки чего-то, выходящего за рамки стандартной модели, и, несмотря на десять лет работы на БАКе, до сих пор не было найдено ничего убедительного. Поэтому открытие новой силы природы было бы огромной удачей и могло бы наконец открыть дверь к ответу на некоторые из самых глубоких загадок, стоящих перед современной наукой.
Погрешность измерения
Несмотря на то, что результат оказался весьма интересным, он не является бесспорным. Все измерения сопровождаются степенью неопределенности или «погрешности». В данном случае вероятность того, что результат оказался случайным статистическим колебанием — или «тремя сигмами», как принято говорить в физике частиц, составляет один к 1000.
Один к 1000 может показаться не очень большим, но в физике частиц проводится очень большое количество измерений, и поэтому можно ожидать, что небольшое количество измерений может привести к случайным отклонениям. Чтобы быть действительно уверенными в том, что эффект реален, нужно достичь пяти сигма — что соответствует менее чем одному шансу из миллиона на то, что эффект является результатом статистической случайности.