Стандартният модел на физиката на елементарните частици може да бъде нарушен

Магнитът за съхранение на пръстена за експеримента Muon G-2 във Fermilab.

Ланкастър, Великобритания:

Като физик, работещ в Големия адронен колайдер (LHC) на CERN, един от най-честите въпроси, които ми задават е „Кога ще намерите нещо?“ “. Устоявайки на изкушението да отговориш саркастично: „Освен бозона на Хигс, който спечели Нобеловата награда, и цял набор от нови композитни частици? физика на елементарните частици по целия свят.

Често говорим за напредък по отношение на откриването на нови частици и това често е така. Изучаването на нова, много тежка частица ни помага да визуализираме основните физически процеси – често без разсейващ фонов шум. Това улеснява обяснението на стойността на откритието на обществеността и политиците.

Напоследък обаче серия от прецизни измервания на частици и процеси, които вече са известни и отговарят на стандартите за блата, заплашиха да разтърсят физиката. И тъй като LHC е готов да работи с по-висока енергия и интензивност от всякога, е време да започнем да обсъждаме широко последствията.

Всъщност физиката на елементарните частици винаги е протичала по два начина, един от които са новите частици. Другият е да се правят много прецизни измервания, които да тестват прогнозите на теориите и да търсят отклонения от очакваното.

Първото доказателство за общата теория на относителността на Айнщайн, например, идва от откриването на малки отклонения във видимото положение на звездите и движението на Меркурий в неговата орбита.

Три ключови констатации

Частиците се подчиняват на противоинтуитивна, но изключително успешна теория, наречена квантова механика. Тази теория показва, че частиците, твърде масивни, за да бъдат направени директно при сблъсък в лабораторията, все още могат да повлияят на това, което правят другите частици (чрез така наречените „квантови флуктуации“). Мерките на тези ефекти обаче са много сложни и много по-трудни за обяснение на обществеността.

Но последните резултати, намекващи за нова необяснима физика извън стандартния модел, са от този втори тип. Подробни проучвания на експеримента LHCb разкриха, че частица, известна като кварк на красотата (кварките съставляват протоните и неутроните в атомното ядро), се “разпада” (разпада) в електрон много по-често, отколкото в мюон – електронът е по-тежък , но иначе идентични, брат. Според Стандартния модел това не трябва да се случва, намеквайки, че нови частици или дори природни сили могат да повлияят на процеса.

Изображение на експеримента LHCb.
LHCb експеримент.ЦЕРН

Любопитно е обаче, че измерванията на подобни процеси, включващи „върхови кварки“ от експеримента ATLAS в LHC, показват, че този разпад се случва с еднакви скорости за електрони и мюони.

Междувременно експериментът Muon g-2 във Fermilab в САЩ наскоро проведе много прецизни проучвания за това как мюоните “осцилират”, когато тяхното “въртене” (квантово свойство) взаимодейства с околните магнитни полета. Той установи малко, но значително отклонение от някои теоретични прогнози – отново предполага, че неизвестни сили или частици могат да работят.

Последният изненадващ резултат е измерване на масата на фундаментална частица, наречена W бозон, която носи слабата ядрена сила, която управлява радиоактивния разпад. След много години на събиране и анализ на данни, опитът, също във Fermilab, подсказва, че е значително по-тежък, отколкото теорията предвижда – отклонение с количество, което не би се случило случайно при повече от милион милиони преживявания. Отново може да има все още неизвестни частици, които добавят към неговата маса.

Интересно е обаче, че това също не е в съгласие с някои измервания на LHC с по-ниска точност (представени в това и това проучване).

Присъдата

Въпреки че не сме абсолютно сигурни, че тези ефекти изискват ново обяснение, изглежда все по-ясно, че е необходима нова физика.

Разбира се, ще бъдат предложени почти толкова нови механизми за обяснение на тези наблюдения, колкото има теоретици. Мнозина ще се обърнат към различни форми на “суперсиметрия”. Идеята е, че в Стандартния модел има два пъти повече фундаментални частици, отколкото се смяташе преди, като всяка частица има „супер партньор“. Те могат да включват допълнителни бозони на Хигс (свързани с полето, което дава масата на фундаменталните частици).

Други ще отидат по-далеч, позовавайки се на по-малко модерни идеи като “техниколор”, което би означавало, че има допълнителни сили на природата (в допълнение към гравитацията, електромагнетизма и ядрените сили, слаби и силни) и може да означава, че бозонът на Хигс всъщност е композитен обект, съставен от други частици. Само експериментите ще разкрият истината по въпроса – което е добра новина за експериментаторите.

Експерименталните екипи зад новите открития са много уважавани и работят по проблемите от дълго време. Въпреки това не е неуважение към тях, че тези мерки са изключително трудни за изпълнение. В допълнение, прогнозите на стандартния модел обикновено изискват изчисления, където трябва да се направят приближения. Това означава, че различните теоретици могат да предскажат малко различни маси и скорости на разпадане в зависимост от предположенията и нивото на приближаване. Така че може да се окаже, че когато правим по-точни изчисления, някои от новите констатации отговарят на стандартния модел.

По същия начин изследователите могат да използват едва доловимо различни интерпретации и по този начин да намерят непоследователни резултати. Сравняването на два експериментални резултата изисква внимателна проверка дали и в двата случая е използвано едно и също ниво на приближаване.

Това са два примера за източници на „систематична несигурност“ и ако всички участващи страни се опитат да ги оценят количествено, може да има непредвидени усложнения, които ги подценяват или надценяват.

Нищо от това не прави настоящите резултати по-малко интересни или важни. Това, което илюстрират резултатите, е, че има множество пътища към по-задълбочено разбиране на новата физика и всички те трябва да бъдат проучени.

С рестартирането на LHC все още има шансове нови частици да бъдат направени чрез по-редки процеси или да бъдат намерени скрити под фонове, които все още не сме открили.Разговорът

(Автор: Роджър Джоунс, професор по физика, ръководител на катедра, Университет Ланкастър)

Декларация за разкриване: Роджър Джоунс получава финансиране от STFC. Член съм на колаборацията ATLAS

Тази статия е препубликувана от The Conversation под лиценз Creative Commons. Прочетете оригиналната статия.

(С изключение на заглавието, тази история не е редактирана от служителите на NDTV и е публикувана от синдикиран канал.)

.

Add Comment