Научпоп

21 октября 2021, 20:04

НВ Премиум

Пятая сила природы? Физики на пороге открытия, которое полностью изменит нашу науку

Стандартная модель — это лучшая научная теория, которую создало человечество. Тем не менее, мы знаем, что она неполная. Последние изменения в нее внесли еще в 1970-х годах, после экспериментального подтверждения существования кварков. Поэтому ученые находятся в постоянном поиске новой физики или пятой силы природы — аномалий, которые расходятся с устоявшимися теоретическими знаниями.

«Это прекрасная теория, вершина 400 лет научных исследований. Однако очевидно, что Стандартная модель — это не последнее слово в физике. Со времен открытия бозона Хиггса, физики вроде меня чувствуют, что Стандартная модель слишком успешна. Она дает правильные ответы во время практически каждого эксперимента, который мы проводим. Сейчас мы надеемся найти эксперимент, который даст такой ответ, который Стандартная модель не сможет объяснить — ведь только так мы сможем понять, что же лежит дальше. И да, у нас уже есть намеки на то, что это возможно», — говорит Дэвид Тонг, физик-теоретик из Кембриджского университета.

Подпишитесь, чтобы прочитать целиком

Нам необходима ваша поддержка, чтобы заниматься качественной журналистикой

Подписаться
Первый месяц 1 ₴. Отписаться можно в любой момент

К примеру, недавно обнаруженные гравитационные волны, которые являются следами самых мощных космических событий вроде столкновения двух черных дыр или звезд, могут состоять из гипотетических элементарных частиц — гравитонов. До сих пор считалось, что гравитация практически не влияет на взаимодействие элементарных частиц; якобы ее дело — регулировать взаимодействие тел, обладающих достаточной массой, чего точно нельзя сказать об элементарных частицах.

Согласно Стандартной модели, обычно их взаимодействие объясняется тремя силами — электромагнетизм, а также сильное и слабое ядерное взаимодействие. Потенциально это может помочь физикам понять, как гравитация все-таки действует на элементарные частицы, однако до сих пор нет никаких успешных практических экспериментов их гравитационного взаимодействия.

К тому же, Стандартная модель не учитывает невидимое присутствие темной материи и темной энергии — получается, мы не понимаем, как работает практически 95% нашей Вселенной! К примеру, темная материя наверняка состоит из неизвестных нам частиц, которые никак не взаимодействуют со светом. Вполне возможно, что у них есть свои бозоны и силы, влияющие на их взаимодействие.

Весной физики-теоретики всего мира активно следили за экспериментом LHCb (Large Hadron Collider beauty experiment), который проводится на Большом адронном коллайдере (БАК), последним большим достижением которого было открытие бозона Хиггса — элементарной частицы, которая является краеугольным камнем Стандартной модели, какой мы знаем ее сейчас. Однако это может измениться уже совсем скоро, ведь БАК может помочь нам открыть новую силу природы, полностью перевернув физику, которую мы знаем.

Поколения элементарных частиц

Элементарные частицы делятся на три поколения. Каждое из них ничем не отличается от предыдущего кроме своей массы. Однако самая важная особенность второго и третьего поколения элементарных частиц — мы практически не сталкиваемся с ними в обычной жизни. Ученые научились создавать их, однако эти частицы являются неустойчивыми, и быстро распадаются до своего первого поколения.

Взять, к примеру, кварки, которые вместе с электроном формируют любую окружающую нас материю — вашу любимую чашку, смартфон, на котором вы читаете эту статью, и даже нашу планету.

Эти частицы делятся на верхний и нижний кварки — это первое поколение, из которого и состоит материя. Второе, неустойчивое, поколение — странный и очарованый кварки. Третье — красивый и настоящий кварки. Все они имеют одинаковые особенности и отличаются друг от друга исключительно массой.

Такие же поколения есть и у электрона — стабильной отрицательно заряженой элементарной частицы. Его «братьями» являются мюон, который в 200 раз тяжелее и таон — частица, которая весит как 1500 электронов.

Эксперименты с распадом этих неустойчивых поколений частиц физики привели ученых к возможному открытию «новой физики» — пятой силы природы.

К примеру, красивый кварк в среднем живет около 1,5 триллионных долей секунды, прежде чем он распадается под действием слабого взаимодействия на другие частицы — электроны и их более тяжелых братьев, мюоны. Весной этого года ученые заявили, что красивый кварк распадается на электроны и мюоны с разной скоростью. Это было очень неожиданно, ведь электроны и мюоны являются абсолютно идентичными, а их различие проявляется лишь в массе этих частиц. В теории красивый кварк должен распадается на электроны или мюоны с одинаковой частотой — однако на практике мюонный распад происходил реже.

Из-за этого физики предположили, что на мюоны влияет некая «неоткрытая сила». Теоретически это может быть некая неизвестная нам элементарная частица — например, Z-бозон или лептокварк.

Проверка результатов

Самое интересное в этом эксперименте то, что его результаты практически сошлись с теми, что ученые получили 20 лет назад, повысив уровень их статистической значимости до 4,2 сигма. Это означает, что результаты могли стать следствием ошибки в 1 случае из примерно 40 тыс. попыток. Окончательное подтверждение гипотезы равняется уровню достоверности в 5 сигма, что эквивалентно вероятности ошибки 1 к 3,5 млн. Лучший способ проверить результаты — продолжать эксперимент и проследить за большим количеством распадов, чем и планируют заниматься ученые.

Новое исследование команды БАК, которое доступно на сервисе препринтов arXiv, является продолжением этого эксперимента. Ученые уточняют — их работы недостаточно, чтобы делать объявление об официальном открытии пятой силы природы, однако она «является дополнительным подтверждением идеи того, что мы на пороге невероятного открытия».

Что сделали ученые

Наблюдение за распадом кварков — достаточно занимательное занятие, особенно учитывая, что разные типы кварков постоянно будут связаны между собой. И если весной ученые следили исключительно за распадом красивых кварков в паре с верхним кварком, то в новом исследовании физики наблюдали за красивыми кварками спаренными с нижними и верхними кварками.

В теории, если некая новая сила действительно существует, пары кварков не должны влиять на процесс распада, а результат будет одинаковым. Так и получилось — мюонный распад происходил реже, чем электронный. Эксперимент получил оценку в 2 сигмы, что означает вероятность ошибки примерно в двух случаях из ста — опять же, недостаточный результат, чтобы утверждать на 100%, однако косвенно подтверждающий идею о пятой силе природы.

Сейчас ученые готовят БАК к новому эксперименту LHCb — данные по нему будут доступны примерно через год. Если новые исследования подтвердят существующие догадки, то мы станем свидетелями уникального переворота в физике — открытия новой силы природы.

Другие новости

Все новости