Прогалина у кращій теорії людства. Нові виміри елементарної частинки можуть зламати відому нам фізику

17 квітня, 12:00
Ексклюзив НВ
Вчені з’ясували, що W-бозон масивніший, ніж передбачала Стандартна модель. Теоретично це може означати існування досі невідомих фізичних сил чи частинок. (Фото:Fermilab)

Вчені з’ясували, що W-бозон масивніший, ніж передбачала Стандартна модель. Теоретично це може означати існування досі невідомих фізичних сил чи частинок. (Фото:Fermilab)

Через десятиліття роботи фізики з міжнародної колаборації CDF нарешті змогли виміряти масу W-бозона. Виявилося, що частинка має більшу масу, ніж передбачала Стандартна модель — це може призвести до фундаментального зрушення в науці.

На початку 2022 року дослідникам вдалося зробити неймовірний прорив — виміряти час життя бозона Хіггса. Воно збіглося із передбаченням Стандартної моделі в межах експериментальної похибки.

Відео дня

Стандартна модель — найкраща наукова теорія, яка є у розпорядженні людства. Вона описує будівельні блоки нашого Всесвіту та сили, які в ньому існують. Проте вчені знають напевно — вона досі неповна. Наприклад, Стандартна модель не враховує невидиму присутність темної матерії та темної енергії. І навіть не визначає існування гравітації.

Фактично ми не розуміємо, як працює майже 95% нашого Всесвіту. Тому перед дослідниками постало ще чимало роботи з доповнення чи зміни найдосконалішої наукової теорії.

W-бозон, що відчиняє браму до нової фізики

Міжнародна команда з майже 400 вчених протягом десяти років вивчила трильйони зіткнень різних елементарних частинок на колайдері Теватрон. Установка завершила свою роботу ще 2011 року — і весь цей час фізики опрацьовували отримані дані.

Робота фізиків була опублікована в журналі Science. Їх підрахунки показали, що W-бозон — елементарна частинка, що відповідає за слабку взаємодію, — може бути на 0,09% важчою, ніж передбачала Стандартна модель.

І хоча на перший погляд різниця видається несуттєвою, якщо результат підтвердиться, ми опинимося на порозі першої серйозної зміни законів фізики елементарних частинок за останні пів століття.

«[Стандартна модель] — чудова теорія, вершина 400 років наукових досліджень. Однак очевидно, що це не останнє слово у фізиці. З часів відкриття бозона Хіггса фізики начебто мене відчувають, що Стандартна модель надто успішна. Вона дає правильні відповіді під час практично кожного експерименту, який ми проводимо. Зараз ми сподіваємося знайти експеримент, що дасть таку відповідь, яку Стандартна модель не зможе пояснити — адже тільки так ми зможемо зрозуміти, що знаходиться далі. Отже, ми вже маємо натяки на те, що це можливо», — каже Девід Тонг, фізик-теоретик з Кембриджського університету.

W-бозон разом зі своїм «двоюрідним братом» Z-бозоном, бере участь у більшості типів ядерних реакцій на кшталт термоядерного синтезу, що живить наше Сонце. Ці елементарні частинки переносять слабку ядерну взаємодію — одне з чотирьох фундаментальних сил природи, яке є одним зі стовпів, на якому ґрунтується Стандартна модель.

Лабораторна робота

Завдяки відомій масі бозона Хіггса, про якого згадувалося раніше, теоретично можна підрахувати і масу W-бозона. Проте десятирічна робота вчених та величезна кількість перевірок, через які вони надавали свої результати, показали, що фактичний результат відрізняється від передбаченого на 0,1%. У світі фізики елементарних частинок це досить суттєве відхилення, яке може означати дві речі: помилка у розрахунках та існування невідомих досі частинок чи фізичних сил.

Щоб виявити та виміряти бозони, вчені зіштовхують частинки за допомогою колайдера, який попередньо розганяє їх до неймовірних швидкостей. Внаслідок цих зіткнень частинки розпадаються на нейтрино та електрон або мюон — важчий родич електрона. Нейтрино, які також називають примарною частинкою, практично не взаємодіють зі звичайною матерією, а тому вони залишають детектор практично непомітно. А ось електрон або мюон залишають помітніші сліди — і чим більшу енергію вони мають, тим важчим був W-бозон, що створив їх.

Команда вчених, що стоїть за нещодавно опублікованим дослідженням, проаналізувала близько 4 млн бозонів, отриманих у результаті понад 450 трлн зіткнень елементарних частинок на колайдері Теватрон, проведених у період з 2002 до 2011 року.

Розрахунки показали, що маса W-бозона — 80 433,5 мегаелектронвольта (МеВ) ± 9,4 МеВ. Стандартна модель передбачала, що частинка буде легшою на 76 МеВ — розрив вийшов приблизно в сім разів вищим, ніж стандартна похибка виміру або прогнозу.

Звичайної такої розбіжності із запасом вдосталь, щоб заявити про нове відкриття — у фізиці елементарних частинок традиційно використовують стандартне відхилення в п’ять сигм для перевірки випадковості чи помилки у розрахунках. Однак, коли під загрозою Стандартна модель, вчені вважають за краще вкотре усе перевірити, перш ніж відкупорювати шампанське.

Гаррі Кліфф, фізик із Кембриджського університету, який працює на Великому адронному колайдері, пояснює, що у разі виявлення раніше невідомої частинки або фізичної сили Стандартну модель не можна буде просто підправити — перед науковцями постане складне завдання, щоб виявити, як ця нова фізика працюватиме з уже відомими взаємодіями.

Крапку у вирішенні питання поставить Великий адронний колайдер. Вчені очікують, що вже найближчими роками вони зможуть проаналізувати отримані зразки W-бозонів. «Мені здається, що ми вже близькі до великого відкриття. Згодом ми справді зуміємо вийти за межі Стандартної моделі», — каже Аїда Ель-Хадра, фізик-теоретик з Університету Іллінойсу.

poster
Підписатись на щоденну email-розсилку
матеріалів розділу Техно
Розсилка про те як технології змінють світ
Щопонеділка

Приєднуйтесь до нас у соцмережах Facebook, Telegram та Instagram.

Показати ще новини
Радіо НВ
X