Наукпоп

21 жовтня 2021, 20:04

НВ Преміум

П’ята сила природи? Фізики на порозі відкриття, яке повністю змінить нашу науку

Стандартна модель — це найкраща наукова теорія, яку створило людство. Тим не менш, ми знаємо, що вона неповна. Останні зміни в неї внесли ще в 1970-х роках, після експериментального підтвердження існування кварків. Тому вчені перебувають у постійному пошуку нової фізики або п’ятої сили природи — аномалій, які розходяться з усталеними теоретичними знаннями.

«Це чудова теорія, вершина 400 років наукових досліджень. Однак очевидно, що Стандартна модель — це не останнє слово у фізиці. З часів відкриття бозона Хіггса, фізики, такі як я, відчувають, що Стандартна модель занадто успішна. Вона дає правильні відповіді під час практично кожного експерименту, який ми проводимо. Зараз ми сподіваємося знайти експеримент, який дасть таку відповідь, який Стандартна модель не зможе пояснити — адже тільки так ми зможемо зрозуміти, що ж лежить далі. І так, у нас вже є натяки на те, що це можливо», — запевняє Девід Тонг, фізик-теоретик з Кембриджського університету.

Передплатіть, щоб прочитати повністю

Нам необхідна ваша підтримка, щоб займатися якісною журналістикою

Передплатити
Перший місяць 1 ₴. Відмовитися від передплати можна у будь-який момент

Наприклад, нещодавно виявлені гравітаційні хвилі, які є слідами найпотужніших космічних подій на зразок зіткнення двох чорних дір або зірок, можуть складатися з гіпотетичних елементарних частинок — Гравітон. Досі вважалося, що гравітація практично не впливає на взаємодію елементарних частинок; нібито її справа — регулювати взаємодію тіл, що володіють достатньою масою, чого точно не можна сказати про елементарні частинки.

Згідно зі Стандартною моделлю зазвичай їх взаємодія пояснюється трьома силами — електромагнетизм, а також сильна і слабка ядерна взаємодія. Потенційно це може допомогти фізикам зрозуміти, як гравітація все-таки діє на елементарні частинки, проте досі немає ніяких успішних практичних експериментів їх гравітаційної взаємодії.

До того ж Стандартна модель не враховує невидиму присутність темної матерії і темної енергії — виходить, ми не розуміємо, як працює практично 95% нашого Всесвіту! Наприклад, темна матерія напевно складається з невідомих нам частинок, які ніяк не взаємодіють зі світлом. Цілком можливо, що у них є свої бозони і сили, що впливають на їх взаємодію.

Навесні фізики-теоретики усього світу активно стежили за експериментом LHCb (Large Hadron Collider beauty experiment), який проводиться на Великому адронному колайдері (ВАК), останнім великим досягненням якого було відкриття бозона Хіггса — елементарної частинки, яка є наріжним каменем Стандартної моделі, якою ми знаємо її зараз. Однак це може змінитися вже зовсім скоро, адже ВАК може допомогти нам відкрити нову силу природи, повністю перевернувши фізику, яку ми знаємо.

Покоління елементарних частинок

Елементарні частинки діляться на три покоління. Кожне з них нічим не відрізняється від попереднього крім своєї маси. Однак найважливіша особливість другого і третього покоління елементарних частинок — ми практично не стикаємося з ними в звичайному житті. Вчені навчилися створювати їх, проте ці частинки є нестійкими, і швидко розпадаються до свого першого покоління.

Взяти, приміром, кварки, які разом з електроном формують будь-яку матерію, що нас оточує — вашу улюблену чашку, смартфон, на якому ви читаєте цю статтю, і навіть нашу планету.

Ці частинки діляться на верхній і нижній кварки — це перше покоління, з якого і складається матерія. Друге, нестійке, покоління — дивний і чарівний кварки. Третє — красивий і справжній кварки. Всі вони мають однакові особливості і відрізняються один від одного виключно масою.

Такі ж покоління є і у електрона — стабільної негативно зарядженої елементарної частинки. Його «братами» є мюон, який у 200 разів важче і таон — частка, яка важить як 1500 електронів.

Експерименти з розпадом цих нестійких поколінь частинок фізики привели вчених до можливого відкриття «нової фізики» — п’ятої сили природи.

Наприклад, красивий кварк в середньому живе близько 1,5 трильйонних доль секунди, перш ніж він розпадається під дією слабкої взаємодії на інші частинки — електрони і їх більш важких братів, мюони. Навесні цього року вчені заявили, що красивий кварк розпадається на електрони і мюони з різною швидкістю. Це було дуже несподівано, адже електрони і мюони є абсолютно ідентичними, а їх відмінність виявляється лише в масі цих частинок. В теорії красивий кварк повинен розпадатися на електрони або мюони з однаковою частотою — однак на практиці мюонний розпад відбувався рідше.

Через це фізики припустили, що на мюони впливає якась «невідкрита сила». Теоретично це може бути якась невідома нам елементарна частинка — наприклад, Z-бозон або лептокварк.

Перевірка результатів

Найцікавіше в цьому експерименті те, що його результати практично зійшлися з тими, що вчені отримали 20 років тому, підвищивши рівень їх статистичної значущості до 4,2 сигма. Це означає, що результати могли стати наслідком помилки в 1 випадку з приблизно 40 тис. спроб. Остаточне підтвердження гіпотези дорівнює рівню достовірності в 5 сигма, що еквівалентно ймовірності помилки 1 до 3,5 млн. Найкращий спосіб перевірити результати — продовжувати експеримент і простежити за великою кількістю розпадів, чим і планують займатися вчені.

Нове дослідження команди БАК, яке є на сервісі препринтів arXiv, є продовженням цього експерименту. Вчені уточнюють — їх роботи недостатньо, щоб робити оголошення про офіційне відкриття п’ятої сили природи, проте вона «є додатковим підтвердженням ідеї того, що ми на порозі неймовірного відкриття».

Що зробили вчені

Спостереження за розпадом кварків — досить цікаве заняття, особливо з огляду на те, що різні типи кварків постійно будуть пов’язані між собою. І якщо навесні вчені стежили виключно за розпадом красивих кварків у парі з верхнім кварком, то в новому дослідженні фізики спостерігали за красивими кварками спареними з нижніми і верхніми кварками.

Теоретично, якщо якась нова сила справді існує, пари кварків не повинні впливати на процес розпаду, а результат буде однаковим. Так і вийшло — мюонний розпад відбувався рідше, ніж електронний. Експеримент отримав оцінку в 2 сигми, що означає ймовірність помилки приблизно в двох випадках зі ста — знову ж таки, недостатній результат, щоб стверджувати на 100%, однак побічно підтверджує ідею про п’яту силу природи.

Зараз учені готують ВАК до нового експерименту LHCb — дані по ньому будуть доступними приблизно за рік. Якщо нові дослідження підтвердять наявні припущення, то ми станемо свідками унікального перевороту у фізиці — відкриття нової сили природи.

Другие новости

Всі новини