На нас чекає нова фізика. Вчені з ЦЕРН зробили довгоочікуване відкриття

Група фізиків ЦЕРН на чолі з Христиною Лаццероні з Бірмінгемського університету підбила підсумки багаторічного експерименту під назвою NA62. Під час досліджень Лаццероні та її колеги експериментально спостерігали і виміряли розпад зарядженої частинки каона на заряджений піон і пару нейтрино-антинейтрино.

Полювання за такими спостереженнями тривало понад 10 років. Саме в розпаді каона, на думку дослідників, криється один із ключів до нової фізики. І тепер учені отримали цей ключ у своє розпорядження.

Що з’ясували вчені?

Результати дослідження були представлені на заході в ЦЕРН.

Причина, через яку команда дослідників уже понад десять років так завзято шукає цей специфічний канал розпаду, полягає в тому, що він є так званим «золотим» каналом, тобто не лише неймовірно рідкісним, а й добре передбаченим складною математикою, що становить Стандартну модель фізики.

Така рідкість і точність робить його дуже чутливим датчиком для виявлення нової фізики.

Однак тільки зібравши неймовірну кількість даних про незліченні зіткнення частинок, команда змогла підтвердити точність свого відкриття.

Каони являють собою комбінацію кварка та іншої кваркової античастинки, пов’язаної під дією сильних сил, і швидко розпадаються в досить унікальній манері, яку фізики називають «дивною».

Ця особливість зробила їх зручним інструментом для визначення правил поведінки частинок загалом.

Виробництво каонів не становить особливої складності, якщо у вас є відповідне обладнання. Використовуючи суперпротонний синхротрон у CERN, дослідники запускають пучок високоенергетичних протонів у нерухому берилієву мішень.

У результаті утворюється вторинний пучок із приблизно мільярда частинок на секунду, близько 6 відсотків з яких — заряджені каони.

У каонів недовгий термін життя: вони утворюються і розпадаються за стомільйонну частку секунди.

Тому у вторинному пучку постійно відбувається розпад каонів, які зазвичай перетворюються на надважкого родича електрона, званого мюоном, і нейтрино.

Однак приблизно в 13 випадках із кожних 100 мільярдів розпадів каонів у результаті утворюється антинейтрино, нейтрино і нестабільна частинка, що складається з кварка й антикварка іншого смаку, звана піоном.

«Каони та півонії - це частинки, що містять кварки. Той факт, що кварки бувають різних типів (up, down, strange, charm, beauty, top), називається ароматом», — розповіла Лаццероні в інтерв'ю ScienceAlert.

За її словами, рідкість цього розпаду пов’язана з тим, що під час нього відбувається зміна аромату кварків, що опосередкована Z-бозоном і призводить до утворення піона і нейтрино.

Обсяг каонних розпадів, необхідний для спостереження цього процесу, астрономічний, але на цьому складнощі не закінчуються.

Нейтрино, як відомо, і так важко виявити, вони анігілюють зі своїм антинейтринним партнером майже миттєво. В експерименті NA62 дослідники не намагаються виявити пару нейтрино й антинейтрино.

Просто заряджений піон, або «пі+», є голкою серед величезного копиці сіна інших розпадів заряджених каонів (K+).

«Усі інші розпади K+, які ми хочемо відкинути, називаються фоновими і містять частинки, які легко засікти. Завдання полягає в тому, щоб виявити їх усі і завжди, щоб, коли ми бачимо K+ - pi+ і нічого більше, ми були впевнені, що нічого не втратили і це дійсно сигнал», — пояснює Лаззеріно.

Саме тому, коли команда оголосила про перший набір результатів у 2019 році, вони ще не досягли достатнього рівня статистичної впевненості в тому, що зробили своє виявлення.

Тепер вони досягли цього порога.

Після того, як канал розпаду було встановлено, дослідники можуть перейти до пошуку будь-яких відхилень, які можуть вказувати на нову фізику.

Число розпадів каонів на піони і нейтрино/антинейтрино, які спостерігала команда, вище, ніж 8,4 на 100 мільярдів, передбачених Стандартною моделлю, але воно все ще перебуває в межах параметрів невизначеності.

Отже, щоб остаточно відкрити нову фізику, необхідно спостерігати більше відхилення в кількості розпадів.

Чого ми чекаємо від нової фізики

Протягом десятиліть Стандартна модель була основою нашого розуміння фундаментальних частинок і сил, елегантно пояснюючи величезну кількість явищ у субатомній сфері.

Однак, незважаючи на глибокі успіхи, ця теоретична основа неповна. Вона залишає без відповіді найважливіші питання, натякаючи на великі межі «нової фізики», які ще належить дослідити.

«Стандартна модель досі дуже добре передбачала спостереження, але ми знаємо, що в неї є недоліки», — пояснює Лаццероні.

Стандартна модель ретельно описує три з чотирьох фундаментальних сил — електромагнітну, слабку та сильну взаємодію — і класифікує всі відомі елементарні частинки.

Однак у ній явно відсутня гравітація, не враховуються темна матерія і темна енергія, і вона не може пояснити дисбаланс між матерією і антиматерією у Всесвіті.

Ці прогалини — не тривіальні упущення, а глибокі таємниці, які ставлять під сумнів наше розуміння космосу.нова фізика — амбітне прагнення вийти за межі обмежень Стандартної моделі. Такі теорії, як суперсиметрія, припускають існування невідкритих частинок, які могли б усунути ці прогалини.

Суперсиметрія передбачає, що кожна частинка має важчого «суперпартнера», що потенційно дає можливість знайти кандидата на роль темної матерії. Інші концепції, такі як теорія струн, намагаються об'єднати всі фундаментальні сили, включно з гравітацією, в єдину цілісну модель, припускаючи, що частинки є одновимірними «струнами», які вібрують на певних частотах

Важливість нової фізики полягає в тому, що вона може відповісти на фундаментальні питання про саму структуру Всесвіту. Розуміння темної матерії і темної енергії, які становлять близько 95% Всесвіту, може здійснити революцію в космології та астрофізиці.

Ба більше, об'єднання гравітації з квантовою механікою — невловимою теорією квантової гравітації - розв’яже один із найзначніших конфліктів у теоретичній фізиці.досягнення в новій фізиці також можуть підстьобнути технологічні інновації. Історично склалося так, що прориви у фундаментальній фізиці призвели до практичних застосувань, які змінили суспільство. Квантова механіка призвела до появи напівпровідників і апаратів МРТ, а електромагнетизм проклав шлях до електрики і телекомунікацій. Відкриття нових частинок або сил також може призвести до появи непередбачуваних технологій, які підштовхнуть людство до нових ер можливостей

Загалом, учені з нетерпінням очікують появи нової фізики. Що саме це буде, невідомо. Але загалом це можуть бути нові сили та нові частинки, підкреслює Лаццероні.