Merkkejä "uudesta fysiikasta" ilmestyi kahdessa suuressa kokeessa. Tevatron Hadron Collider tallensi hiukkasia siellä missä niiden ei pitäisi olla, ja PAMELA-avaruuskokeessa löydettiin jälkiä tumman aineen hiukkasten rappeutumisesta. Molemmat tosiasiat sopivat hyvin teoriaan, jonka mukaan "pimeä voima" on olemassa
Samalla kun suuri hadronikoppuri (LHC) valmistautuu korjauksiin suuren syyskuun onnettomuuden jälkeen, amerikkalainen Tevatron, joka on selvinnyt viimeisistä kuukauksista planeetan tehokkaimpana kiihdyttimenä, on esittänyt fyysikoille odottamattoman yllätyksen. Viime viikon lopulla CDF: n yhteistyökumppanit, jotka työskentelivät saman nimisen jättiläisen Tevatron-hiukkasdetektorin kanssa, julkaisivat esipainon, joka kuvaa jotain, joka ylittää fyysikoiden lähes pyhän perusmallihiukkasten mallin.
Jos tämä signaali osoittautuu olemaan jonkin verran huomioimatta taustavaikutusta, tämä löytö on ensimmäinen maallinen todiste standardimallin rajoituksista.
Maanpäällinen siinä mielessä, että astrofysiikot ovat jo pitkään tunteneet tumman aineen ja tumman energian, jotka eivät myöskään sovi vakiomalliin. Totta, tumman aineen muodostavien hiukkasten ominaisuuksista ei tiedetä käytännössä mitään.
Tevatron ja ylimääräiset kuonat
CDF-detektorilla fyysikot tutkivat protonien törmäyksessä syntyviä hiukkasia - positiivisesti varautuneita hiukkasia, jotka muodostavat kaikki atomin ytimet, ja antiprotoneja - niiden negatiivisesti varautuneita antipoodeja. Tevatron-kiihdyttimessä, kuten nimensä osoittaa, nämä hiukkaset kiihdytetään lähes 1 TeV: n tai 1000 GeV: n energioihin - tuhat miljardia elektronivoltta - ja törmäysenergia on vastaavasti lähes 2000 GeV, mikä tekee mahdolliseksi luoda erilaisia, jopa erittäin massiivisia. alkuainehiukkaset.
Ei ole kuitenkaan mahdollista edes yksinkertaisesti korjata suurimman osan kiinnostavista hiukkasista. Ne ovat yleensä epävakaita ja muuttuvat useiksi vaaleammiksi hiukkasiksi pienessä sekunnin murto-osassa. Detektori mittaa rappeutumistuotteiden ominaisuudet, ja fyysikot sitten tunnetun metaforin mukaisesti "yrittävät palauttaa kellorakenteen tutkimalla kellovaihteiden fragmentteja, jotka törmäsivät melkein valonopeudella".
Yksi suosituimmista tämän tyyppisistä "pyydyksistä" on muoni. Ominaisuuksiensa perusteella kuutit ovat hyvin samankaltaisia kuin atomien ytimillä kiertävät tavalliset elektronit. Kuikot ovat kuitenkin paljon massiivisempia, ja siksi ne ovat erityisen arvokkaita kokeellisille fyysikoille. Ensinnäkin, niitä on vaikeampaa "johtaa" harhaan, kun he kohtaavat ilmaisimen protoneja ja elektroneja, ja toiseksi itse törmäyksissä syntyy harvemmin heitä, ja niiden jälkiä detektorissa on helpompaa kuin lukuisten elektronien takertuneita kulkuratoja.
Yksi hiukkasista, joita on aktiivisesti tutkittu kuoneja käyttämällä, on ns. B-mesoni, joka sisältää raskaan b-kvarkin (tai antiikkunan).
Ja täällä kuikot johtivat pitkään kokeilijoita nenän kautta.
Kvarkkien rakenteen ja vuorovaikutuksen teoria - kvantikromodynamiikka - antaa sinun laskea B-mesonien muodostumisen todennäköisyyden ja niiden osallistumisen erilaisiin vuorovaikutuksiin. Siksi on mahdollista arvioida kuonojen lukumäärä, joka syntyy näiden hiukkasten rappeutumisen aikana. Kokeessa tuotettiin kuitenkin paljon enemmän kuoneja kuin suunniteltiin. Lisäksi toinen menetelmä B-mesonien ominaisuuksien mittaamiseksi osoitti tuloksia, jotka ovat paremmin ja paremmin sopusoinnussa teorian kanssa. Joten kokeilijoilla oli vähemmän ja vähemmän syitä syyttää teoreetikkoja siitä, että he eivät tienneet kuinka laskea (ja laskelmat kvantikromodynamiikassa ovat erittäin vaikeita).
Syynä näihin eroihin pysyi pitkään salaisuutena, kunnes tutkijat selvisivät, että joillakin muoneista, jotka fyysikot pitivät kauan B-mesonien hajoamistuotteiden suhteen, ei itse asiassa ollut mitään tekemistä niiden kanssa. Tosiasia, että B-mesoni elää hyvin lyhyen ajan ja syntyessään protonien ja antiprotonien törmäyksessä, onnistuu lentää tyhjiöputken akselilta, missä törmäykset tapahtuvat, vain 1–2 mm. Täällä se hajoaa muoneiksi. Kun tutkijat selvittivät, missä heidän ilmaisimensa muonit tallensivat, B-mesonien ongelma ratkaistiin: kuten kävi ilmi, jotkut heistä nousivat paljon kauemmas akselista, ja näiden "ylimääräisten kuonojen" osuus lopputuloksessa selitti tarkalleen ristiriidassa teorian kanssa.
Mutta mistä nuo "ylimääräiset" kuunat ovat peräisin?
Jotkut heistä ovat lähtöisin 3 mm: n päässä akselista, viidestä ja seitsemästä; jotkut ovat kokonaan tyhjöputken ulkopuolella, mikä ei todellakaan sovi mihinkään porttiin.
Syntyvä fyysinen "tunne" liittyy näihin hiukkasiin. Tämä sana, joka on harvinaista kunnioitetulle tieteelle, kuvaa itse asiassa teoreetikkojen ja kokeilijoiden jännitystä parhaalla mahdollisella tavalla. Keskustelua todellisuudesta signaalien löytämät CDF yhteistyötä raivoavat jo on ammatti blogit fyysikkojen, ja sivuilla sähköisen koe- Cornellin yliopistossa kolmatta päivää peräkkäin, yhä teoreettisia selityksiä näkemäänsä näkyviin.
Uusia hiukkasia?
Periaatteessa tarpeettomien tai, kuten fyysikot sanovat, "taustahiukkasten" esiintymiselle voi olla monia erilaisia syitä, ja suurin osa CDF-yhteistyön artikkelista on omistettu sellaisten signaalin mahdollisten syiden analysoinnille, jotka eivät vedota standardin ulkopuolelle tulevalle "uudelle fysiikalle". malleja. Ehkä emme ottanut huomioon joitain muita hiukkasia, joista muonit ovat syntyneet - esimerkiksi kosmisia säteitä, tai ehkä otamme muoneihin muita Tevatronissa tuotettujen hiukkasten hajoamistuotteita? Viimeinkin, ehkä itse detektorin signaalit, jotka otamme kuunien jälkeihin, eivät ole sellaisia - melu, tilastolliset vaihtelut, kokeellisten tulosten matemaattisten käsittelyjen raivojen menetelmien esineet?
Mainosvideo:
Viimeisen työn kirjoittajien mukaan he eivät löytäneet "vakio" selitystä.
On huomattava, että lähes kolmannes yhteistyöstä - noin 200 ihmisestä 600 - kieltäytyi allekirjoittamasta artiklaa, jolle oli suoritettu "sisäinen tarkastus" melkein kuusi kuukautta. By …
Kaikki näyttää siltä, että he olisivat löytäneet merkkejä jonkin uuden hiukkasen olemassaolosta, joka elää paljon pidempään kuin B-mesoni, eikä sillä ole sijaa tunnetussa fysiikassa. Tutkijat kuitenkin pidättäytyvät tällaisesta suorasta lausunnosta: koko fysiikan sukupolven kokemus, joka on yhä uudelleen vakuuttunut standardimallin soveltuvuudesta näennäisesti täysin selittämättömiin ilmiöihin, antaa itselleen tunteen. Mutta on mahdotonta jättää huomiotta melkein satatuhatta tapahtumaa, jotka on kirjattu maan parhaan mahdollisen kiihdyttimen parhaimmalla instrumentilla.
"Ylimääräisten" kuunien ominaisuudet ovat itsessään uskomattomia. Yksi silmiinpistävimmistä on se, että ne syntyivät usein "pakkauksissa" - ei yhdestä hiukkasesta kerrallaan, vaan kahdesta, kolmesta tai jopa kahdeksasta kerrallaan. Lisäksi pääsääntöisesti he eivät syntyneet siitä hetkestä lähtien, kun he syntyivät, kaikkiin suuntiin, mutta suunnilleen samaan suuntaan - tutkijat jopa käyttävät termiä "muonisuihku". Ja uuden tuntemattoman hiukkasen ominainen energia - jos sitä todella on - on useita GeV. Toisin sanoen, "uusi fysiikka" - jos me todella alamme erottaa sen muonisummassa - alkaa energioista, ei tuhansista GeV: stä, joihin LHC: n kaltaiset hirviöt ovat suunnatut, mutta paljon aikaisemmin.
Ja nämä ominaisuudet ovat hämmästyttävän lähellä maanpäällisen kiihdyttimen tuloksia vain muutamaa päivää aikaisemmin avaruusaineiden hiukkasten vastaisesta ilmaisimesta PAMELA julkaistujen tietojen kanssa.
Positronifraktio energian funktiona // PAMELA Group, arXiv.org
PAMELA-kokeilun tulokset
Venäjän keinotekoisen satelliitin "Resurs-DK1" aluksella oleva kansainvälinen tutkimusajoneuvo PAMELA tallensi luotettavasti ylimääräisen korkeaenergisten positronien varautuneen tilan virtauksessa …
Monien astrofysiikkojen mukaan korkeaenergisten positronien (elektronien vastaiset hiukkaset) ylimäärä kosmisissa säteissä johtuu salaperäisen tumman aineen hiukkasten hajoamisesta tai tuhoamisesta. Tämä on toinen standardimallin ulkopuolella oleva fysiikan osa, jonka olemassaolosta (ja jopa massan hallitsemisesta) tähtitieteilijät ovat jo kauan tiedneet, mutta eivät osaa sanoa mitään hyödyllistä: siksi se on tumma aine, ettei se ole näkyvissä, ja sen läsnäolo antaa vain painovoiman kautta.
Tumma voima
Kuten kävi ilmi, Princetonin, Harvardin ja New Yorkin teoreetikkojen kvartetilla on jo selitys PAMELA-tuloksista, jotka tulivat käsiinsä Tevatronin uusien tietojen kanssa. Nima Arkanihamedin ja hänen kollegoidensa mukaan supersymmetrisen mallinsa puitteissa saadaan yhtenäinen ja luonnollinen selitys PAMELA-laitteen luotettavasti mittaamalle positronien ylimäärälle, hienoiselle gammasäteiden ylimäärälle, joka tulee näennäisesti tyhjästä, ja galaksin keskuksen sumuiselle hellelle gammassa ja muiden astrofysikaalisten satelliittien tallentamat radiopalkit.
Mallin mukaan tumman aineen hiukkasten massa on noin 1000 GeV ja ne eivät osallistu tunnettuihin vuorovaikutuksiin. Ne vaikuttavat kuitenkin toisiinsa lyhyen kantaman "tumman" voiman avulla, jota kuljettaa toinen tumma hiukkanen, jonka massa on noin 1 GeV. Toisin sanoen kolmeen tavalliseen vuorovaikutustyyppiin, jotka vaikuttavat vain tavallisiin aineisiin (sähkömagneettinen ja ydinvoima, heikko ja vahva), lisätään vielä yksi, joka toimii vain pimeän aineen maailmassa. Painovoima, kuten tavallista, erottuu toisistaan, yhdistäen molemmat maailmat.
Teoreetikot tarvitsivat "pimeää" voimaa sitoutuakseen pimeän aineen hiukkaset eräänlaisiin "atomiin", joissa yhdellä pimeistä hiukkasista on negatiivinen "pimeä varaus" ja toisella on positiivinen "pimeä varaus". Vain "atomien" muodostuminen sallii tumman aineen tuhoutumisen tarpeeksi voimakkaasti astrofysiikan havaintojen tulosten selittämiseksi (tämä on ns Sommerfeld-mekanismi).
Hiukkas, joka kantaa "tummaa" voimaa, voi kuitenkin jo rapistua suoraan tavallisten hiukkasten päästöllä, ja juuri tämä hiukkanen, Arkanihamedin ja hänen kollegoidensa mukaan, voi olla vastuussa "ylimääräisten" kuonien esiintymisestä.
Lisäksi tummalla varauksella ladattujen tummien hiukkasten hajoaminen etenee luonnollisesti kaskadissa, kunnes se osuu vaaleimpaan vakaaseen tummaan hiukkasiin, johon ei ole mitään hajoavaa. Jokainen tämän kaskadin vaihe sisältää hiukkasen - tumman voiman kantajan, ja siksi jokaisessa vaiheessa voi esiintyä ylimääräinen kuoni. Niin paljon kuonoihin "pakkauksissa". No, tosiasia, että ne kaikki lentävät samaan suuntaan, johtuu yksinkertaisesti siitä, että rapistuva hiukkanen liikkuu nopeasti - joten juhlavaan ilotulitteiden lataukset räjähtävät ennen niiden radan korkeinta kohtaa heittävät kokonaiset kirkkaan valon lähteet eteenpäin. Niin paljon "suihkukoneelle".
Tietojen julkaiseminen CDF: n ja PAMELA-yhteistyön avulla johtaa kuitenkin epäilemättä kymmeniin, ellei jopa satoihin, mahdollisiin selityksiin tulevien kuukausien aikana. Joten ei ehkä kannata asua Arkanihamedin mallissa. Toistaiseksi hänet erottaa vain se, että hän osoittautui oikeuteen tulkittaessa sekä näitä että muita tietoja.
Tietenkin on mahdollista, että molemmat kokeelliset tulokset saavat enemmän triviaalia selityksiä. "Ylimääräiset kuonat" saattavat osoittautua olevan vain jättimäisen CDF-asennuksen instrumenttivaikutuksen huomioimatta jättämistä, ja "ylimääräisiä positoneja" voi syntyä galaksissamme olevien neutronitähteiden läheisyydessä.
Mutta näkymät ovat kiehtovia. Pimeän aineen maailmassa, joka viime aikoihin asti näytti muodottomalta sameudelta, jonka takana tähtitieteilijät piilottivat väärinkäsityksensä maailman rakenteesta, alkoi syntyä rakenne - jonkinlainen vuorovaikutus, "tummat varaukset", "tummat atomit". Ehkä fysiikka ei ole ohi, ja uusilla tiedemiesten sukupolvilla on jotain opittavaa "pimeässä maailmassa".
