В последние несколько дней в лентах научно-популярных новостей появилось сразу несколько интересных сообщений из мира элементарных частиц. Исследователи обнаружили как намеки на новую физику, так и свидетельства рождения "священного Грааля" старой физики - бозона Хиггса. Итак, что же именно обнаружили специалисты?
Кварки, лептоны и прочие бозоны
Физика элементарных частиц изучает самые базовые "кирпичики", из которых состоит окружающая материя - что и отражено в названии этого раздела исследований. Ученые анализируют, как именно взаимодействуют друг с другом элементарные частицы, и "вытаскивают" из полученных данных физические законы, которые управляют этими взаимодействиями. Впрочем, исследователи редко подходят к анализу новых данных, так сказать, с чистого листа - обычно у них в запасе есть одна-две теории, которые предсказывают, что именно физики должны обнаружить в экспериментальных результатах. В итоге, каков бы ни был итог эксперимента, ученые оказываются в выигрыше - они либо подкрепляют позиции традиционной гипотезы, либо находят доказательства того, что мир устроен интереснее, чем придумали теоретики.
Новые результаты, не укладывающиеся в рамки предыдущих физических моделей, позволяют физикам в итоге расширить свои представления об устройстве окружающего мира, однако поначалу появление таких результатов может сильно смущать ученых. Когда в 1936 году физик Карл Андерсон доказал существование частицы под названием мюон, его коллега, теоретик Исидор Раби раздосадовано спросил “Ну, и кто это заказывал?” Существовавшие на тот момент теории не подразумевали существования каких-либо новых частиц, и появление мюона фактически перечеркивало их.
На сегодняшний день большинство физиков полагают, что лучше всего фундаментальные принципы строения Вселенной объясняет так называемая Стандартная модель. Согласно этой теоретической конструкции, все возможные типы вещества образуются из различных сочетаний 12 частиц, относящихся к группе фермионов. Эти частицы можно распределить по трем семействам так, что свойства членов одного из них напоминают свойства "симметричных" частиц из других семейств, разве что масса частиц постепенно возрастает от семейства к семейству.
Шесть из двенадцати фермионов относятся к группе лептонов, а оставшиеся шесть являются кварками - именно из них построены знакомые всем со школы протоны и нейтроны. Кварки и лептоны участвуют в различных типах взаимодействий между частицами. Стандартная модель описывает три из четырех известных на сегодня фундаментальных взаимодействий - сильное (удерживает вместе компоненты атомных ядер), слабое (с ним, в частности, связан бета-распад ядер элементов) и электромагнитное. Четвертое взаимодействие - гравитационное - не укладывается в Стандартную модель, и это основная причина, по которой многие специалисты считают, что эта мыслительная конструкция не является истинно фундаментальной.
Взаимодействия между частицами происходят не просто так - за каждое из них отвечает особая частица-переносчик. Сильное взаимодействие обеспечивается так называемыми глюонами, слабое - W- и Z-бозонами, а электромагнитное - фотонами. Когда физики изучают результаты экспериментальных данных, они уточняют свои представления обо всех описанных выше частицах, особенностях взаимодействий между ними и, соответственно, постулатах Стандартной модели.
Изучать описанные выше элементарные частицы сложно - большинство из них либо слабо взаимодействуют с привычной нам материей (например, нейтрино, которые участвуют только в слабом и гравитационном взаимодействиях), либо не встречаются в свободном виде (кварки), либо живут крошечные доли секунды. Для того чтобы все-таки получить информацию о неуловимых частицах, физики строят гигантские коллайдеры. Внутри этих приборов (если можно назвать прибором нечто протяженностью 27 километров) ученые разгоняют пучки "простых" элементарных частиц, вроде протонов или антипротонов, до околосветовых скоростей и сталкивают противонаправленные пучки друг с другом.
Когда две частицы сшибаются на огромной скорости, они теряют свою внутреннюю структуру - вместо двух отдельных образований остается некое подобие раскаленного "супа" из кварковых и глюонных полей. Спустя чрезвычайно короткий промежуток времени (около 10-24 секунды) из "супа" вновь выделяются отдельные компоненты, которые спустя еще долю мгновения формируют новые частицы. Они разлетаются в разные стороны от места рождения, и, так как многие из них короткоживущие, спустя доли мгновения они превращаются в другие частицы. Некоторые из образовавшихся частиц долетают до детекторов - специальных устройств, которые ловят частицы и регистрируют различные характеристики их движения.
Физики изучают данные о скорости и направлении движения пойманных частиц и на основании этих сведений пытаются восстановить, какая цепочка превращений привела к их рождению. Так как интересные ученым частицы образуются относительно редко, эксперименты на коллайдерах длятся месяцами - на компьютеры исследовательских центров круглосуточно поступают данные от детекторов, и физики кропотливо перелопачивают все эти терабайты информации в поисках нужных событий. И иногда их труд дает плоды.
Физика новая и старая
Первый набор интересных результатов, представленных в последние дни, пришел с американского коллайдера Тэватрон, работу которого курирует Национальная ускорительная лаборатория имени Энрико Ферми (Фермилаб). Физики, анализирующие данные, которые собирает детектор Тэватрона под названием CDF, сообщили, что им, возможно, удалось обнаружить признаки образования новой частицы - нейтрального кси-b-бариона. Существование этой частицы постулируется в рамках Стандартной модели, но экспериментальных подтверждений у физиков до сих пор не было. В общей сложности специалисты зарегистрировали 25 случаев возможного рождения нового бариона – а всего ученые проанализировали результаты примерно 500 триллионов столкновений протонов и антипротонов.
Еще один намек на рождение новой частицы увидели исследователи, работающие на Большом адронном коллайдере - самом крупном ускорителе элементарных частиц на планете. Одной из основных целей, ради которой был создан этот колоссальный прибор, является поимка бозона Хиггса - предсказанной в рамках Стандартной модели частицы, которая определяет наличие массы у всех других частиц.
Электронвольт и различные производные этой единицы часто используются для определения массы элементарных частиц. Один электронвольт соответствует энергии, которая требуется для переноса электрона в электростатическом поле между точками с разницей потенциалов в 1 вольт.
Ученые, доложившие о своих результатах в ходе европейской конференции по физике высоких энергий (Europhysics Conference on High Energy Physics), анализировали, какие частицы попадают на детекторы БАК ATLAS и CMS. Специалисты обнаружили избыток частиц, масса которых располагается в пределах от 130 до 150 гигаэлектронвольт. Многие эксперты полагают, что масса бозона Хиггса может находиться именно в этом интервале. Появление "подозрительных" частиц связано с рождением и распадом пар W-бозонов - считается, что W-бозоны могут образовываться при распаде бозона Хиггса.
Наконец, третью интересную новость вновь принес Тэватрон. В результате анализа данных наблюдений детектора D0 за восемь лет ученые обнаружили заметную асимметрию в рождении топ (t) кварков и антикварков при столкновении пучков протонов и антипротонов. Теоретически, топ-кварки должны приблизительно с равной частотой вылетать как в направлении летящих протонов, так и в направлении антипротонов. Однако специалисты обнаружили, что рождающиеся топ-кварки чаще вылетают в направлении протонов. Пока ученые не могут однозначно объяснить, с чем связан такой "перекос".
Интересно, что на БАК подобной асимметрии не наблюдается - совсем недавно физики с европейского ускорителя представили результаты статистической обработки накопленных данных и заявили, что им не удалось найти признаков того, что кварки чаще выбирают одно направление вылета, а не другое. И, тем не менее, именно результаты коллаборации D0 выглядят наиболее убедительными - хотя они, как и все описанные выше факты, требуют очень тщательной дополнительной проверки. Доктор физико-математических наук, заместитель руководителя отдела теоретической физики Петербургского института ядерной физики РАН Дмитрий Дьяконов полагает, что если наблюдение детектора D0 подтвердится, то этот факт станет важным открытием.
А вот работа, авторы которой сообщили о возможном обнаружении бозона Хиггса, по мнению Дьяконова, не очень убедительна. "Сигнал вялый и спокойно может ‘помереть’", - отметил физик. Вообще, ученый считает, что от "классических" представлений о бозоне Хиггса, возможно, придется отказаться. "В научном сообществе наблюдается некоторое разочарование, и назревает чувство, что Стандартная модель в своем примитивном, хиггсовском воплощении нас обманула и что истина несколько сложнее", - полагает Дьяконов и добавляет, что "практически во всех более сложных конструкциях бозон Хиггса либо отсутствует, либо представляет собой сложный составной объект, и/или имеет другие свойства. По мере ненаблюдения "хиггса" на БАК и Тэватроне такие конструкции обсуждают все живее".
Но каков бы ни оказался окончательный вердикт физиков относительно новых результатов, все они неизбежно способствуют развитию представлений ученых об устройстве Вселенной. А именно этот итог является истинно ценным для научных исследований - а вовсе не обнаружение или не обнаружение какой бы то ни было загадочной частицы.