Tecken på en "ny fysik" dök upp i två stora experiment. Tevatron Hadron Collider registrerade partiklar där de inte borde vara, och PAMELA-rymdförsöket fann spår av förfall av mörka materialpartiklar. Båda fakta passar väl in i teorin om att den "mörka kraften" finns
Medan Large Hadron Collider (LHC) förbereder sig för reparationer efter en stor olycka i september, har amerikanska Tevatron, som har överlevt de senaste månaderna som den mest kraftfulla acceleratorn på planeten, gjort fysikerna en oväntad överraskning. I slutet av förra veckan publicerade kollegor i CDF-samarbetet som arbetade med den jätte Tevatron-partikeldetektorn med samma namn en förtryck som beskrev något som går utöver den nästan heliga standardmodellen för elementära partiklar för fysiker.
Om denna signal inte visar sig vara oberättigad för bakgrundseffekt, kommer denna upptäckt att vara det första jordiska beviset på standardmodellens begränsningar.
Terrestriska i den meningen att astrofysiker har länge känt mörk materia och mörk energi, som inte heller passar in i standardmodellen. Det är sant att praktiskt taget inget är känt om egenskaperna hos de partiklar som utgör mörk materia.
Tevatron och extra muoner
Med CDF-detektorn studerar fysiker de partiklar som produceras genom kollision av protoner - positivt laddade partiklar som utgör alla atomkärnor och antiprotoner - deras negativt laddade antipoder. I Tevatron-acceleratorn, som namnet antyder, accelereras dessa partiklar till energier på nästan 1 TeV, eller 1000 GeV - tusen miljarder elektronvolter, och kollisionsenergin är följaktligen nästan 2000 GeV, vilket gör det möjligt att skapa en mängd, till och med mycket massiv elementära partiklar.
Det är emellertid inte ens möjligt att helt enkelt fixa förekomsten av de flesta partiklar av intresse. Som regel är de instabila och förvandlas till flera lättare partiklar på en liten bråkdel av en sekund. Det är egenskaperna hos förfallsprodukterna som detektorn mäter, och fysiker sedan, i enlighet med den välkända metaforen, "försöker återställa klockan, undersöka fragmenten av klockväxlar som kolliderade med nära ljushastighet."
En av de mest populära "växlarna" av denna typ är muon. När det gäller deras egenskaper är muoner mycket lika med vanliga elektroner som kretsar kring atomkärnor. Men muoner är mycket mer massiva och är därför av särskilt värde för experimentella fysiker. För det första är det svårare att "vilseleda" dem när de stöter på protonerna och elektronerna i detektorn, och för det andra, i själva kollisionerna föds de mindre, och det är lättare att ta isär deras spår i detektorn än de intrasslade banorna för många elektroner.
En av partiklarna som har studerats aktivt med muoner är den så kallade B-meson, som inkluderar en tung b-kvark (eller antikvark).
Och här ledde muons under lång tid experimenterna vid näsan.
Teorin om kvarkers struktur och interaktion - kvantkromodynamik - låter dig beräkna sannolikheten för produktion av B-mesoner och deras deltagande i olika interaktioner. Därför är det möjligt att uppskatta antalet muoner som kommer att föds under förfallet av dessa partiklar. I experimentet producerades emellertid mycket fler muoner än planerat. En annan metod för att mäta egenskaperna hos B-mesoner visade dessutom resultat som är bättre och bättre överensstämmer med teorin. Så experimenterna hade färre och färre skäl att anklaga teoretiker för att inte veta hur de skulle räkna (och beräkningar i kvantkromodynamik är extremt svåra).
Anledningen till dessa skillnader förblev ett mysterium under lång tid, tills forskare fick reda på att några av muonerna, som fysiker under lång tid tog för B-mesons förfallsprodukter, faktiskt inte hade något att göra med dem. Faktum är att B-meson lever under en mycket kort tid och, efter att ha födts i kollisionen mellan protoner och antiprotoner, lyckas han flyga bort från vakuumrörets axel, där kollisionerna inträffar, bara med 1-2 mm. Här sönder det till muoner. När forskare räknade ut var muonerna som deras detektor registrerade, löstes problemet med B-mesoner: när det visade sig, uppstod några av dem mycket längre från axeln, och bidraget från dessa "extra muoner" till det slutliga resultatet förklarade exakt skillnaden med teorin.
Men var kommer de "extra" muonerna ifrån?
Vissa av dem kommer från 3 mm från axeln, vid fem och vid sju; vissa är helt utanför vakuumröret, som verkligen inte passar in i någon grind.
Den begynnande fysiska "sensationen" är kopplad till dessa partiklar. Det här ordet, sällsynt för värdefulla vetenskap, kännetecknar faktiskt spänningen hos teoretiker och experter på bästa möjliga sätt. Diskussioner om verkligheten av signalerna som hittades av CDF-samarbetet rasar redan på fysikernas professionella bloggar, och på webbplatsen för elektroniska förtryck vid Cornell University, finns allt fler teoretiska förklaringar till vad de såg ut för tredje dagen i rad.
Nya partiklar?
I princip kan det finnas en mängd olika skäl för uppkomsten av onödiga eller, som fysiker säger, "bakgrund" -partiklar, och det mesta av artikeln i CDF-samarbetet ägnas åt analysen av möjliga skäl för uppkomsten av en signal som inte tilltalar "ny fysik" utöver standarden modeller. Kanske har vi inte tagit hänsyn till några andra partiklar från vilka muoner är födda - till exempel kosmiska strålar, eller kanske tar vi andra sönderfallsprodukter av partiklar födda i Tevatron för muoner? Slutligen, kanske är signalerna i själva detektorn, som vi tar för spår av muoner, inte sådana - brus, statistiska fluktuationer, artefakter av rasande metoder för matematisk bearbetning av experimentella resultat?
Kampanjvideo:
Enligt författarna till det senaste arbetet kunde de inte hitta en "standard" förklaring.
Det bör noteras att nästan en tredjedel av samarbetet - cirka 200 av 600 personer - vägrade att sätta sina underskrifter på artikeln, som hade genomgått en "internrevision" i nästan sex månader. Förbi…
Allt ser ut som om de lyckats hitta tecken på förekomsten av en ny partikel som lever mycket längre än B-meson, och den har ingen plats i den fysik vi känner. Forskare avstår emellertid fortfarande från ett sådant direkt uttalande: erfarenheterna från en hel generation fysiker, om och om igen övertygade om tillämpningen av standardmodellen på till synes helt oförklarliga fenomen, gör sig självkänd. Men det är omöjligt att helt enkelt ignorera nästan 100 tusen händelser inspelade av ett av de bästa instrumenten för den fortfarande mest kraftfulla gaspedalen på jorden.
Egenskaperna hos "extra" muoner är fantastiska i sig själva. En av de mest slående är att de ofta föddes i "förpackningar" - inte en partikel åt gången, utan två, tre, till och med åtta åt gången. Dessutom flög de som regel ut från den tidpunkt då de föddes, inte i alla riktningar, men i ungefär samma riktning - forskare använder till och med termen "muon jet". Och den karakteristiska energin hos en ny okänd partikel - om den verkligen finns - är flera GeV. Med andra ord, den "nya fysiken" - om vi verkligen börjar skilja den i muon dimman - börjar vid energier inte i de tusentals GeV, på vilka monster som LHC riktas, men mycket tidigare.
Och dessa egenskaper ungefärligt ungefärliga resultaten från den markbundna gaspedalen med de data som publicerades bara några dagar tidigare från rymdpartikeldetektorn PAMELA.
Positronfraktion som en funktion av energi // PAMELA Group, arXiv.org
Resultat från PAMELA-experimentet Det
internationella forskningsfordonet PAMELA ombord på den ryska konstgjorda satelliten Resurs-DK1 har pålitligt registrerat ett överskott av högenergipositroner i en ström av laddat utrymme …
Enligt många astrofysiker uppstår överskottet av högenergipositroner (antipartiklar till elektroner) i kosmiska strålar från förfall eller förintelse av mystiska partiklar av mörk materia. Detta är ett annat element i fysik utöver standardmodellen, vars existens (och till och med dominans av massa) astronomer länge har känt, men kan inte säga något värt: det är därför det är mörk materia, att den inte är synlig och ger ut sin närvaro endast genom allvar.
Dark Power
Som det visade sig har kvartetten av teoretiker från Princeton, Harvard och New York redan en förklaring av PAMELA-resultaten, som kom till nytta med de nya uppgifterna från Tevatron. Enligt Nima Arkanihamed och hans kollegor, inom ramen för deras supersymmetriska modell, erhålls en enhetlig och naturlig förklaring för överskottet av positroner som tillförlitligt mäts med PAMELA-apparaten, ett knappt märkbart överskott av gammastrålar som ser ut från ingenstans och den dimmiga glöd från galaxens centrum i gamma och radiostrålar inspelade av andra astrofysiska satelliter.
I enlighet med modellen har partiklar av mörkt material en massa på cirka 1000 GeV och deltar inte i de interaktioner vi känner. Men de verkar på varandra med hjälp av en "mörk" kraft med kort räckvidd, som bärs av en annan mörk partikel med en massa på cirka 1 GeV. Med andra ord, till de tre vanliga typerna av interaktion, som endast verkar på vanligt ämne (elektromagnetisk och nukleär, svag och stark), läggs till ytterligare en, som bara verkar i världen av mörk materia. Tyngdekraften, som vanligt, skiljer sig åt varandra och kopplar samman båda världar.
Teoretiker behövde den "mörka" kraften för att binda partiklarna av mörk materia i en slags "atomer", där en av de mörka partiklarna har en negativ "mörk laddning" och den andra har en positiv "mörk laddning". Endast bildandet av "atomer" gör att mörk materia kan förintas intensivt nog för att förklara resultaten av astrofysiska observationer (detta är den så kallade Sommerfeld-mekanismen).
Emellertid kan partikeln som bär den "mörka" kraften redan förfalla direkt med utsläpp av vanliga partiklar, och det är denna partikel, enligt Arkanihamed och hans kollegor, som kan vara ansvarig för uppkomsten av "extra" muoner.
Dessutom fortsätter förfallet av mörka partiklar laddade med en mörk laddning naturligtvis i en kaskad tills den träffar den lättaste stabila mörka partikeln, som inte har något att förfalla in i. Varje steg i denna kaskad involverar en partikel - en bärare av mörk kraft, och därför kan en extra muon dyka upp vid varje steg. Så mycket för muoner i "paket". Det faktum att de alla flyger ut i samma riktning beror helt enkelt på det faktum att den förfallna partikeln rör sig snabbt - så att laddningarna för festliga fyrverkerier, som exploderar innan de når den högsta punkten i deras bana, kastar ut hela fontäner med ljusa ljus framåt. Så mycket för "jet".
Emellertid kommer publiceringen av data från CDF- och PAMELA-samarbeten utan tvekan att leda till uppkomsten av dussintals, om inte hundratals, möjliga förklaringar under de kommande månaderna. Så det kanske inte är värt att tänka på Arkaniameds modell. Hittills kännetecknas hon bara av det faktum att hon visade sig vara vid domstolen när hon tolkade både dessa och andra uppgifter.
Naturligtvis är det möjligt att båda experimentella resultaten kommer att få mer triviala förklaringar. "Extra muons" kan visa sig vara något annat än att inte redovisas för instrumentell effekt av den jätte CDF-installationen, och "extra positroner" kan genereras i närheten av neutronstjärnor i vår Galaxy.
Men utsikterna är spännande. I världen av mörk materia, som tills nyligen verkade vara en formlös grumlighet bakom vilken astronomer döljer sin missförståelse av världens struktur, började en struktur dyka upp - vissa interaktioner, "mörka laddningar", "mörka atomer". Kanske är fysiken inte över, och nya generationer av forskare kommer att ha något att studera i den "mörka världen".
