Нас ждет новая физика. Ученые из ЦЕРН сделали долгожданное открытие

Группа физиков ЦЕРН во главе с Кристиной Лаццерони из Бирмингемского университета подвела итоги многолетнего эксперимента под названием NA62. В ходе исследований Лаццерони и ее коллеги экспериментально наблюдали и измерили распад заряженной частицы каона на заряженный пион и пару нейтрино-антинейтрино.

Охота за такими наблюдениями длилась более 10 лет. Именно в распаде каона, по мнению исследователей, кроется один из ключей к новой физике. И теперь ученые получили этот ключ в свое распоряжение.

Что выяснили ученые?

Результаты исследования были представлены на мероприятии в ЦЕРН.

Причина, по которой команда исследователей уже более десяти лет так упорно ищет этот специфический канал распада, заключается в том, что он является так называемым «золотым» каналом, то есть не только невероятно редким, но и хорошо предсказанным сложной математикой, составляющей Стандартную модель физики.

Такая редкость и точность делает его очень чувствительным датчиком для обнаружения новой физики.

Однако только собрав невероятное количество данных о бесчисленных столкновениях частиц, команда смогла подтвердить точность своего открытия.

Каоны представляют собой комбинацию кварка и другой кварковой античастицы, связанной под действием сильных сил, и быстро распадаются в довольно уникальной манере, которую физики называют «странной».

Эта особенность сделала их удобным инструментом для определения правил поведения частиц в целом.

Производство каонов не представляет особой сложности, если у вас есть подходящее оборудование. Используя суперпротонный синхротрон в CERN, исследователи запускают пучок высокоэнергетических протонов в неподвижную бериллиевую мишень.

В результате образуется вторичный пучок из примерно миллиарда частиц в секунду, около 6 процентов из которых — заряженные каоны.

У каонов недолгий срок жизни: они образуются и распадаются за стомиллионную долю секунды.

Поэтому во вторичном пучке постоянно происходит распад каонов, которые обычно превращаются в сверхтяжелого родственника электрона, называемого мюоном, и нейтрино.

Однако примерно в 13 случаях из каждых 100 миллиардов распадов каонов в результате образуется антинейтрино, нейтрино и нестабильная частица, состоящая из кварка и антикварка другого вкуса, называемая пионом.

«Каоны и пионы — это частицы, содержащие кварки. Тот факт, что кварки бывают разных типов (up, down, strange, charm, beauty, top), называется ароматом», — рассказала Лаццерони в интервью ScienceAlert.

По ее словам, редкость этого распада связана с тем, что при нем происходит изменение аромата кварков, которое опосредовано Z-бозоном и приводит к образованию пиона и нейтрино.

Объем каонных распадов, необходимый для наблюдения этого процесса, астрономический, но на этом сложности не заканчиваются.

Нейтрино, как известно, и так трудно обнаружить, они аннигилируют со своим антинейтринным партнером почти мгновенно. В эксперименте NA62 исследователи не пытаются обнаружить пару нейтрино и антинейтрино.

Просто заряженный пион, или «пи+», является иголкой среди огромного стога сена других распадов заряженных каонов (K+).

«Все остальные распады K+, которые мы хотим отбросить, называются фоновыми и содержат частицы, которые легко засечь. Задача состоит в том, чтобы обнаружить их все и всегда, чтобы, когда мы видим K+ - pi+ и ничего больше, мы были уверены, что ничего не потеряли и это действительно сигнал», — объясняет Лаззерино.

Именно поэтому, когда команда объявила о первом наборе результатов в 2019 году, они еще не достигли достаточного уровня статистической уверенности в том, что сделали свое обнаружение.

Теперь они достигли этого порога.

После того, как канал распада был установлен, исследователи могут перейти к поиску любых отклонений, которые могут указывать на новую физику.

Число распадов каонов на пионы и нейтрино/антинейтрино, которые наблюдала команда, выше, чем 8,4 на 100 миллиардов, предсказанных Стандартной моделью, но оно все еще находится в пределах параметров неопределенности.

Так что, чтобы окончательно открыть новую физику, необходимо наблюдать большее отклонение в количестве распадов.

Чего мы ждем от новой физики

На протяжении десятилетий Стандартная модель была основой нашего понимания фундаментальных частиц и сил, элегантно объясняя огромное количество явлений в субатомной сфере.

Однако, несмотря на глубокие успехи, эта теоретическая основа неполна. Она оставляет без ответа важнейшие вопросы, намекая на обширные границы «новой физики», которые еще предстоит исследовать.

«Стандартная модель до сих пор очень хорошо предсказывала наблюдения, но мы знаем, что у нее есть недостатки», — поясняет Лаццерони.

Стандартная модель тщательно описывает три из четырех фундаментальных сил — электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие — и классифицирует все известные элементарные частицы.

Однако в ней явно отсутствует гравитация, не учитываются темная материя и темная энергия, и она не может объяснить дисбаланс между материей и антиматерией во Вселенной.

Эти пробелы — не тривиальные упущения, а глубокие тайны, которые ставят под сомнение наше понимание космоса.

Новая физика — амбициозное стремление выйти за пределы ограничений Стандартной модели. Такие теории, как суперсимметрия, предполагают существование неоткрытых частиц, которые могли бы устранить эти пробелы.

Суперсимметрия предполагает, что у каждой частицы есть более тяжелый «суперпартнер», что потенциально дает возможность найти кандидата на роль темной материи. Другие концепции, такие как теория струн, пытаются объединить все фундаментальные силы, включая гравитацию, в единую целостную модель, предполагая, что частицы представляют собой одномерные «струны», вибрирующие на определенных частотах.


Важность новой физики заключается в том, что она может ответить на фундаментальные вопросы о самой структуре Вселенной. Понимание темной материи и темной энергии, которые составляют около 95% Вселенной, может произвести революцию в космологии и астрофизике.

Более того, объединение гравитации с квантовой механикой — неуловимой теорией квантовой гравитации — разрешит один из самых значительных конфликтов в теоретической физике.

Достижения в новой физике также могут подстегнуть технологические инновации. Исторически сложилось так, что прорывы в фундаментальной физике привели к практическим приложениям, которые изменили общество. Квантовая механика привела к появлению полупроводников и аппаратов МРТ, а электромагнетизм проложил путь к электричеству и телекоммуникациям. Открытие новых частиц или сил также может привести к появлению непредсказуемых технологий, которые подтолкнут человечество к новым эрам возможностей.


В общем, ученые с нетерпением ожидают появления новой физики. Что именно это будет, неизвестно. Но в целом это могут быть новые силы и новые частицы, подчеркивает Лаццерони.