Пробел в лучшей теории человечества. Новые измерения элементарной частицы могут нарушить известную нам физику

17 апреля, 12:00
Эксклюзив НВ
Ученые выяснили, что W-бозон массивнее, чем предсказывала Стандартная модель. Теоретически это может означать существование до сих пор неизвестных нам физических сил или частиц. (Фото:Fermilab)

Ученые выяснили, что W-бозон массивнее, чем предсказывала Стандартная модель. Теоретически это может означать существование до сих пор неизвестных нам физических сил или частиц. (Фото:Fermilab)

Спустя десятилетия работы, физики из международной коллаборации CDF наконец смогли измерить массу W-бозона. Оказалось, что частица обладает большей массой, чем предсказывала Стандартная модель — это может привести к фундаментальному сдвигу в науке.

В начале 2022 года исследователям удалось совершить невероятный прорыв — измерить время жизни бозона Хиггса. Оно совпало с предсказанием Стандартной модели в рамках экспериментальной погрешности.

Видео дня

Стандартная модель — лучшая научная теория, которая есть в распоряжении человечества. Она описывает строительные блоки нашей Вселенной и силы, которые в ней существуют. Однако ученые знают наверняка — она до сих пор неполная. К примеру, Стандартная модель не учитывает невидимое присутствие темной материи и темной энергии. И даже никак не описывает существование гравитации.

Фактически, мы не понимаем, как работает почти 95% нашей Вселенной. Поэтому перед исследователями стоит еще немало работы по дополнению или изменению самой совершенной научной теории.

W-бозон, открывающий ворота к новой физике

Международная команда, состоящая из почти 400 ученых, в течение десяти лет изучили триллионы столкновений разных элементарных частиц на коллайдере Теватрон. Установка завершила свою работу еще в 2011 году — и все это время физики обрабатывали полученные данные.

Работа физиков была опубликована в журнале Science. Их подсчеты показали, что W-бозон — элементарная частица, отвечающая за слабое взаимодействие — может быть на 0,09% тяжелее, чем предсказывала Стандартная модель.

И, хотя на первый взгляд разница кажется несущественной, если результат подтвердится, мы окажемся на пороге первого серьезного изменения законов физики элементарных частиц за последние полвека.

«[Стандартная модель] — прекрасная теория, вершина 400 лет научных исследований. Однако очевидно, что 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.

W-бозон вместе со своим «двоюродным братом» Z-бозоном, участвует в большинстве типов ядерных реакций вроде термоядерного синтеза, питающего наше Солнце. Эти элементарные частицы переносят слабое ядерное взаимодействие — одно из четырех фундаментальных сил природы, которое является одним из столпов, на котором стоит Стандартная модель.

Лабораторная работа

Знание массы бозона Хиггса, о которым упоминалось ранее, теоретически есть возможность подсчитать и массу W-бозона. Однако десятилетняя работа ученых и огромное количество проверок, через которое они прогнали свои результаты, показали, что фактический результат отличается от предсказанного на 0,1%. В мире физики элементарных частиц это достаточно существенное отклонение, которое может означать две вещи: ошибка в расчетах и существование неизвестных до сих пор частиц или физических сил.

Чтобы обнаружить и измерить бозоны, ученые сталкивают частицы при помощи коллайдера, который предварительно разгоняет их до невероятных скоростей. В результате этих столкновений, частицы распадаются на нейтрино и электрон или мюон — более тяжелый родственник электрона. Нейтрино, которые также называют призрачной частицей, практически не взаимодействуют с обычной материей, а потому они покидают детектор практически незаметно. А вот электрон или мюон оставляют более заметные следы — и чем большей энергией они обладают, тем более тяжелым был создавший их W-бозон.

Команда ученых, стоящая за недавно опубликованным исследованием, проанализировала около 4 млн бозонов, полученных в результате более 450 трлн столкновений элементарных частиц на коллайдере Теватрон, проведенных в период с 2002 по 2011 года.

Расчеты показали, что масса W-бозона — 80 433,5 мегаэлектронвольта (МэВ) ± 9,4 МэВ. Стандартная модель предсказывала, что частица будет легче на 76 МэВ — разрыв получился приблизительно в семь раз выше, чем стандартная погрешность измерения или прогноза.

Обычного такого расхождения с запасом хватает, чтобы заявить о новом открытии — в физике элементарных частиц традиционно используют стандартное отклонение в пять сигм для проверки случайности или ошибки в расчетах. Однако, когда под угрозой Стандартная модель, ученые предпочитают еще раз все перепроверить, прежде чем открывать шампанское.

Гарри Клифф, физик из Кембриджского университета, работающий на Большом адронном коллайдере, объясняет, что в случае обнаружения ранее неизвестной частицы или физической силы, Стандартную модель нельзя будет просто подправить — перед учеными будет стоять сложная задача, чтобы выявить как эта новая физика будет работать с уже известными взаимодействиями.

Точку в решении вопроса поставит Большой адронный коллайдер. Ученые ожидают, что уже в ближайшие годы они сумеют проанализировать полученные образцы W-бозонов. «Мне кажется, что мы уже близки к моменту большого открытия. Скоро мы действительно сумеем выйти за пределы Стандартной модели», — говорит Аида Эль-Хадра, физик-теоретик из Университета Иллинойса

poster
Подписаться на ежедневную email-рассылку
материалов раздела Техно
Рассылка о том как технологии изменяют мир
Каждый понедельник

Присоединяйтесь к нам в соцсетях Facebook, Telegram и Instagram.

Показать ещё новости
Радіо НВ
X