„Naujos fizikos“požymiai pasirodė per du pagrindinius eksperimentus. „Tevatron Hadron Collider“užfiksavo daleles ten, kur jų neturėtų būti, o PAMELA kosminis eksperimentas rado tamsiosios medžiagos dalelių irimo pėdsakų. Abu faktai gerai dera su teorija, kad egzistuoja „tamsi jėga“
Kol stambus hadronų susidūrėjas (LHC) ruošiasi remontui po didelės rugsėjo avarijos, amerikiečių „Tevatron“, paskutinius mėnesius išgyvenęs kaip galingiausias planetos akceleratorius, fizikams pateikė netikėtą staigmeną. Praėjusios savaitės pabaigoje CDF kolaborantai, dirbantys prie to paties pavadinimo milžiniško „Tevatron“dalelių detektoriaus, išleido priešpriešą, kuriame aprašė tai, kas pranoksta fizikams beveik šventą standartinį elementariųjų dalelių modelį.
- „Salik.biz“
Jei paaiškės, kad šis signalas neturi kažkokio nepastebimo foninio efekto, šis atradimas bus pirmasis žemiškas įrodymas apie standartinio modelio apribojimus.
Antžeminė ta prasme, kad astrofizikai jau seniai žino tamsiąją medžiagą ir tamsiąją energiją, kurios taip pat neatitinka standartinio modelio. Tiesa, apie dalelių, sudarančių tamsiąją medžiagą, savybes praktiškai nieko nėra žinoma.
„Tevatron“ir papildomi muonai
Naudodami CDF detektorių, fizikai tiria protonų susidūrimo metu susidarančias daleles - teigiamai įkrautas daleles, sudarančias visus atominius branduolius, ir antiprotonus - jų neigiamai įkrautus antipodus. „Tevatron“greitintuve, kaip rodo jo pavadinimas, šios dalelės pagreitėja iki beveik 1 TeV arba 1000 GeV - tūkstančio milijardų elektronų voltų - energijos, o susidūrimo energija atitinkamai yra beveik 2000 GeV, o tai leidžia sukurti įvairius, net labai masyvius elementariosios dalelės.
Tačiau neįmanoma tiesiog nustatyti daugumos dominančių dalelių egzistavimo. Paprastai jie yra nestabilūs ir per mažą sekundės dalį pavirsta keliomis lengvesnėmis dalelėmis. Detektorius išmatuoja puvimo produktų savybes, o tada fizikai, vadovaudamiesi gerai žinoma metafora, „bando atkurti laikrodžio rodyklę, nagrinėdami laikrodžio pavarų fragmentus, kurie susidūrė beveik šviesos greičiu“.
Vienas populiariausių tokio tipo „krumpliaračių“yra muonas. Savo savybėmis muonai yra labai panašūs į paprastus elektronus, skriejančius aplink atominius branduolius. Tačiau muonai yra daug masyvesni, todėl ypač vertingi eksperimentiniams fizikams. Pirma, sunkiau juos „suklaidinti“, kai jie susiduria su detektoriaus protonais ir elektronais, antra, pačių susidūrimų metu jų gimsta mažiau ir jų detektoriuje lengviau atsekti jų pėdsakus nei įsiterpusių daugybės elektronų trajektorijas.
Viena iš dalelių, kuri buvo aktyviai tiriama naudojant muonus, yra vadinamasis B-mezonas, į kurį įeina sunkusis b-kvarkas (arba antikvaras).
Ir štai muonai ilgą laiką eksperimentatoriams vedė nosį.
Kvarkų struktūros ir sąveikos teorija - kvantinė chromodinamika - leidžia apskaičiuoti B-mezonų susidarymo tikimybę ir jų dalyvavimą įvairiose sąveikose. Taigi galima įvertinti muonų, kurie gims šių dalelių skilimo metu, skaičių. Tačiau eksperimento metu buvo pagaminta daug daugiau muonų nei planuota. Be to, kitas B-mezonų savybių matavimo metodas parodė rezultatus, kurie geriau ir geriau atitinka teoriją. Taigi eksperimentatoriai turėjo vis mažiau priežasčių kaltinti teoretikus, kad jie nežino, kaip skaičiuoti (o skaičiuoti kvantinę chromodinamiką yra nepaprastai sunku).
Šių neatitikimų priežastis ilgą laiką liko paslaptimi, kol mokslininkai išsiaiškino, kad kai kurie muonai, kuriuos fizikai ilgą laiką ėmėsi dėl B-mezonų skilimo produktų, iš tikrųjų neturėjo nieko bendra su jais. Faktas yra tas, kad B-mezonas gyvena labai trumpą laiką ir, gimęs susidūrus protonams ir antiprotonams, sugeba išskristi tik iš 1–2 mm atstumu nuo vakuuminio vamzdelio ašies, kur vyksta susidūrimai. Čia jis suyra į muonus. Kai mokslininkai išsiaiškino, kur muonai, kuriuos užfiksavo jų detektorius, buvo išspręsta B-mezonų problema: kaip paaiškėjo, kai kurie iš jų kilo daug toliau nuo ašies, o šių „papildomų muonų“indėlis į galutinį rezultatą tiksliai paaiškino neatitikimą teorijai.
Bet iš kur atsiranda tie „papildomi“muonai?
Kai kurie iš jų prasideda 3 mm atstumu nuo ašies, penkiais ir septyniais; kai kurie yra visiškai už vakuuminio vamzdžio, kuris tikrai netelpa į jokius vartus.
Atsirandantis fizinis „pojūtis“yra susijęs su šiomis dalelėmis. Šis žodis, retas garbingam mokslui, iš tikrųjų geriausiai apibūdina teoretikų ir eksperimentuotojų jaudulį. Diskusijos apie signalus realybe rasti pagal CDF bendradarbiaujant jau siautė ant profesionalių dienoraščiai fizikų ir dėl elektroninių nerecenzuotų tinklalapyje Kornelio universiteto jau trečią dieną iš eilės, vis daugiau ir daugiau teoriniai paaiškinimai, ką jie matė atrodo.
Naujos dalelės?
Iš esmės gali būti daugybė priežasčių, dėl kurių gali atsirasti nereikalingų, arba, kaip sako fizikai, „fono“dalelių, o didžioji dalis CDF bendradarbiavimo straipsnio yra skirta galimų signalo, kuris nepatinka „naujai fizikai“, neatitinkančiai standartų, atsiradimo priežasčių analizei. modeliai. Gal neatsižvelgėme į kai kurias kitas daleles, iš kurių gimsta muonai, pavyzdžiui, kosminius spindulius, o gal mes imame kitus Tevatrone gimusių dalelių puvimo produktus? Galiausiai, gal patys detektoriaus signalai, kuriuos mes priimame po muonų pėdsakų, nėra tokie - triukšmas, statistiniai svyravimai, įnirtingų eksperimentinių rezultatų matematinio apdorojimo metodų artefaktai?
Reklaminis vaizdo įrašas:
Anot paskutinio darbo autorių, jiems nepavyko rasti „standartinio“paaiškinimo.
Reikėtų pažymėti, kad beveik trečdalis bendradarbiavimo - apie 200 iš 600 žmonių - atsisakė dėti savo parašus ant straipsnio, kuriam beveik šešis mėnesius buvo atliekamas „vidaus auditas“. Iki…
Viskas atrodo taip, tarsi jiems pavyktų rasti kažkokių naujų dalelių, gyvenančių daug ilgiau nei B-mezonas, egzistavimo požymių, ir tai neturi vietos mūsų pažįstamoje fizikoje. Tačiau mokslininkai vis dar susilaiko nuo tokio tiesioginio teiginio: visos fizikų kartos patirtis, vėl ir vėl įsitikinusi standartinio modelio pritaikomumu iš pažiūros visiškai nepaaiškinamiems reiškiniams, leidžia save pajusti. Tačiau neįmanoma tiesiog nepaisyti beveik 100 tūkstančių įvykių, užfiksuotų vienu geriausių vis dar galingiausio Žemės akseleratoriaus instrumentų.
„Papildomų“muonų savybės yra nuostabios pačios savaime. Vienas įspūdingiausių yra tai, kad jie labai dažnai gimė „pakuotėse“- ne po vieną dalelę vienu metu, o po dvi, tris, net aštuonias vienu metu. Be to, paprastai nuo to laiko, kai jie gimė, jie neišplaukė į visas puses, bet maždaug ta pačia kryptimi - mokslininkai netgi vartoja terminą „muon jet“. Būdinga naujos nežinomos dalelės energija - jei ji tikrai egzistuoja - yra keletas GeV. Kitaip tariant, „naujoji fizika“- jei mes tikrai pradėsime ją atskirti muono rūke - prasideda energijomis ne tūkstančiuose „GeV“, į kurias nukreipiami tokie monstrai kaip LHC, bet daug anksčiau.
Ir šios savybės stulbinančiai suderina antžeminio greitintuvo rezultatus su duomenimis, paskelbtais vos keliomis dienomis anksčiau iš kosminio prieš dalelių esančio detektoriaus PAMELA.
Pozitronų frakcija kaip energijos funkcija // PAMELA Group, arXiv.org
PAMELA eksperimento rezultatai
Tarptautinis tyrimų automobilis PAMELA, esantis Rusijos dirbtiniame palydove „Resurs-DK1“, patikimai užfiksavo aukštos energijos pozitronų perteklių įkrautos erdvės sraute …
Pasak daugelio astrofizikų, aukštos energijos pozitronų (elektronų dalelių) perteklius kosminiuose spinduliuose atsiranda dėl paslaptingos tamsiosios medžiagos dalelių irimo ar sunaikinimo. Tai dar vienas fizikos elementas, viršijantis standartinį modelį, apie kurio egzistavimą (ir netgi masės dominavimą) astronomai jau seniai žinojo, bet negali pasakyti nieko vertingo: todėl tamsioji materija yra tokia, kad jos nematyti, o jos buvimas išduodamas tik per gravitaciją.
Tamsioji galia
Kaip paaiškėjo, Prinstono, Harvardo ir Niujorko teoretikų kvartetas jau turi PAMELA rezultatų paaiškinimą, kuris buvo naudingas kartu su naujais „Tevatron“duomenimis. Pasak Nimos Arkanihamedo ir jo kolegų, remiantis jų supersimetriniu modeliu, gaunamas vieningas ir natūralus paaiškinimas, kodėl PAMELA aparatu patikimai išmatuotas pozitronų perteklius, vos pastebimas gama spindulių perteklius, atrodytų iš niekur, ir miglotas galaktikos centro švytėjimas gama ir radijo pluoštai, įrašyti kitais astrofiziniais palydovais.
Pagal modelį tamsiosios medžiagos dalelių masė yra apie 1000 GeV ir nedalyvauja mums žinomose sąveikose. Tačiau jie veikia vienas kitą pasitelkdami nedidelio nuotolio „tamsiąją“jėgą, kurią neša kita tamsi dalelė, kurios masė yra apie 1 GeV. Kitaip tariant, prie trijų įprastų sąveikos rūšių, veikiančių tik įprastą materiją (elektromagnetinę ir branduolinę, silpną ir stiprią), pridedamas dar vienas, veikiantis tik tamsiosios medžiagos pasaulį. Gravitacija, kaip įprasta, išsiskiria, jungdama abu pasaulius.
„Tamsiosios jėgos“teoretikams reikėjo tamsiosios medžiagos dalelių surišimui į tam tikrus „atomus“, kuriuose viena iš tamsiųjų dalelių turi neigiamą „tamsųjį užtaisą“, o kita - teigiamą „tamsųjį užtaisą“. Tik „atomų“susidarymas leidžia tamsiąją medžiagą sunaikinti pakankamai intensyviai, kad būtų galima paaiškinti astrofizinių stebėjimų rezultatus (tai yra vadinamasis Sommerfeldo mechanizmas).
Tačiau dalelė, kuri vykdo „tamsiąją“jėgą, jau gali skilti tiesiogiai, išmesdama įprastas daleles, ir būtent ši dalelė, pasak Arkanihamedo ir jo kolegų, gali būti atsakinga už „papildomų“muonų atsiradimą.
Be to, tamsiomis dalelėmis, užkrautomis tamsiuoju užtaisu, puvimas natūraliai vyksta kaskadoje, kol jis patenka į lengviausią stabilią tamsią dalelę, kuriai nėra į ką skilti. Kiekviename šios kaskados žingsnyje yra dalelė - tamsiosios jėgos nešiotoja, todėl kiekviename žingsnyje gali atsirasti papildomas muonas. Tiek daug už muonus „pakuotėse“. Na, o tai, kad jie visi išskrenda ta pačia kryptimi, paprasčiausiai lemia tai, kad suyranti dalelė greitai juda - taigi šventinių fejerverkų užtaisai, sprogdami dar nepasiekę aukščiausio savo trajektorijos taško, išmeskite ištisus ryškios šviesos fontanus. Tiek už „purkštuką“.
Tačiau CDF ir PAMELA bendradarbiaujant paskelbus duomenis, be abejo, ateinančiais mėnesiais atsiras dešimtys, jei ne šimtai galimų paaiškinimų. Taigi gali būti neverta apsigyventi pagal Arkanihamedo modelį. Kol kas ji išsiskiria tik tuo, kad aiškindama tiek tuos, tiek kitus duomenis ji pasirodė teisme.
Žinoma, gali būti, kad tiek eksperimento rezultatai gaus daugiau trivialių paaiškinimų. „Papildomi muonai“gali būti ne kas kita, kaip nepastebėtas milžiniškos CDF instaliacijos instrumentinis poveikis, o „Galaktikoje“šalia neutroninių žvaigždžių gali atsirasti „papildomų pozitronų“.
Tačiau perspektyvos yra intriguojančios. Tamsiosios materijos pasaulyje, kuri dar visai neseniai atrodė kaip beformis drumstumas, už kurio astronomai slepia savo nesusipratimą dėl pasaulio struktūros, pradėjo formuotis struktūra - tam tikra sąveika, „tamsūs užtaisai“, „tamsūs atomai“. Galbūt fizika dar nesibaigė, ir naujos mokslininkų kartos turės ką studijuoti „tamsiame pasaulyje“.