Стандартная модель физики элементарных частиц может быть нарушена

Профессор Роджер Джонс, работающий на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе, смотрит в будущее физических открытий.

Мне, как физику, работающему на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРНе, чаще всего задают вопрос: «Когда вы собираетесь что-то найти?».

Сопротивляясь искушению саркастически ответить: «Помимо бозона Хиггса, получившего Нобелевскую премию, и целого ряда новых составных частиц?», я понимаю, что причина, по которой этот вопрос задается так часто, заключается в том, как мы изображаем прогресс в физике элементарных частиц в более широкий мир.

Мы часто говорим о прогрессе с точки зрения открытия новых частиц, и это часто так. Изучение новой, очень тяжелой частицы помогает нам увидеть лежащие в ее основе физические процессы — часто без раздражающего фонового шума. Это позволяет легко объяснить ценность открытия общественности и политикам.

Однако в последнее время серия точных измерений уже известных стандартных частиц и процессов грозит потрясти физику. А поскольку LHC готовится работать с более высокой энергией и интенсивностью, чем когда-либо прежде, пришло время начать широкое обсуждение последствий.

По правде говоря, физика элементарных частиц всегда развивалась двумя путями, одним из которых являются новые частицы. Во-вторых, путем проведения очень точных измерений, которые проверяют предсказания теорий и выявляют отклонения от ожидаемых.

Например, ранние доказательства общей теории относительности Эйнштейна были получены в результате обнаружения небольших отклонений в видимых положениях звезд и движения Меркурия по его орбите.

Три ключевых вывода

Частицы подчиняются противоречивой, но чрезвычайно успешной теории, называемой квантовой механикой. Эта теория показывает, что частицы, слишком массивные для непосредственного столкновения в лаборатории, все же могут влиять на поведение других частиц (посредством так называемых «квантовых флуктуаций»). Однако измерения таких эффектов очень сложны, и их гораздо труднее объяснить общественности.

Но недавние результаты, намекающие на необъяснимую новую физику за пределами стандартной модели, относятся ко второму типу. Подробные исследования эксперимента LHCb показали, что частица, известная как кварк красоты (кварки составляют протоны и нейтроны в атомном ядре), «распадается» (распадается) на электрон гораздо чаще, чем на мюон — электрон тяжелее, но в остальном идентичны, родной брат. По стандартной модели этого быть не должно, намекая на то, что на процесс могут повлиять новые частицы или даже силы природы.

Интересно, однако, что измерения подобных процессов с участием «верхних кварков» в эксперименте ATLAS на LHC показывают, что этот распад действительно происходит с одинаковой скоростью для электронов и мюонов.

Тем временем в эксперименте Muon g-2 в Фермилабе в США недавно были проведены очень точные исследования того, как мюоны «качаются», когда их «вращение» (квантовое свойство) взаимодействует с окружающими магнитными полями. Было обнаружено небольшое, но значительное отклонение от некоторых теоретических предсказаний, что опять-таки предполагает, что могут действовать неизвестные силы или частицы.

Последним неожиданным результатом стало измерение массы фундаментальной частицы, называемой W-бозоном, несущей слабое ядерное взаимодействие, управляющее радиоактивным распадом. После многих лет сбора и анализа данных эксперимент, также проведенный в Фермилабе, показал, что он значительно тяжелее, чем предсказывает теория, — отклонение на величину, которая не произошла бы случайно в более чем миллионе миллионов экспериментов. Очередной раз,

Интересно, однако, что это также не согласуется с некоторыми менее точными измерениями БАК (представленными в этом и этом исследованиях).

Вердикт

Хотя мы не уверены в том, что эти эффекты требуют нового объяснения, кажется, что появляется все больше свидетельств того, что необходима какая-то новая физика.

Конечно, для объяснения этих наблюдений будет предложено почти столько же новых механизмов, сколько теоретиков. Многие обратятся к различным формам «суперсимметрии». Это идея о том, что в стандартной модели в два раза больше фундаментальных частиц, чем мы думали, и у каждой частицы есть «суперпартнер». Они могут включать дополнительные бозоны Хиггса (связанные с полем, которое придает фундаментальным частицам их массу).

Другие пойдут дальше этого, ссылаясь на менее модные в последнее время идеи, такие как «техниколор», которые подразумевают, что существуют дополнительные силы природы (в дополнение к гравитации, электромагнетизму, слабому и сильному ядерным взаимодействиям), и могут означать, что бозон Хиггса на самом деле является составным объектом, состоящим из других частиц. Только эксперименты откроют истину, что является хорошей новостью для экспериментаторов.

Все экспериментальные группы, стоящие за новыми открытиями, пользуются уважением и долгое время работали над этими проблемами. Тем не менее, не будет неуважением к ним отметить, что эти измерения чрезвычайно трудно сделать. Более того, прогнозы стандартной модели обычно требуют расчетов, в которых необходимо делать приближения. Это означает, что разные теоретики могут предсказывать немного разные массы и скорости распада в зависимости от сделанных предположений и уровня приближения. Так что, возможно, когда мы проведем более точные расчеты, некоторые из новых результатов будут соответствовать стандартной модели.

В равной степени, возможно, исследователи используют слегка отличающиеся интерпретации и, таким образом, получают противоречивые результаты. Сравнение двух экспериментальных результатов требует тщательной проверки того, что в обоих случаях использовался один и тот же уровень приближения.

Оба они являются примерами источников «систематической неопределенности», и хотя все заинтересованные стороны делают все возможное для их количественной оценки, могут возникать непредвиденные осложнения, которые приводят к их недооценке или переоценке.

Ничто из этого не делает текущие результаты менее интересными или важными. Результаты показывают, что есть несколько путей к более глубокому пониманию новой физики, и все они должны быть изучены.

С перезапуском БАК все еще есть вероятность того, что новые частицы будут созданы с помощью более редких процессов или будут обнаружены скрытыми под фоном, который нам еще предстоит раскопать.