"Apvers šiuolaikinę fiziką". Ką pamatė didžiajame hadronų greitintuve

Po to, kai CERN didžiajame hadronų greitintuve buvo pastebėtas nukrypimas nuo Standartinio modelio, fizikai visame pasaulyje sustingo laukdami naujos elementariosios dalelės ar anksčiau nežinomos gamtos jėgos atradimo

VILNIUS, spalio 31 — Sputnik. 2017 metais mokslininkai, dalyvaujantys LHCb eksperimente CERN didžiajame hadronų greitintuve, pranešė apie nukrypimą nuo Standartinio modelio esant B mezonų irimui. Fizikai visame pasaulyje sustingo laukdami naujos elementariosios dalelės ar anksčiau nežinomos gamtos jėgos atradimo. Tačiau pirmiausia reikėjo atlikti papildomus eksperimentus ir dar kartą patikrinti skaičiavimus. Galiausiai tyrėjai iš LHCb kolaboracijos pateikė išsamius duomenis. Ar ten yra kažkas, kas netelpa į visuotinai priimtas idėjas apie materialaus pasaulio struktūrą — RIA Novosti autoriaus Vladislovo Strekopytovo medžiagoje.

Fizinės jėgos ir Standartinis modelis

Patikimai žinomi keturi pagrindiniai sąveikos tipai: gravitacinė, elektromagnetinė, stiprioji ir silpnoji. Šios gamtos jėgos valdo viską Visatoje — nuo ​​mikrokosmoso iki galaktikų.

Standartinis modelis apibūdina elementariųjų dalelių elektromagnetinę, silpnąją ir stipriąją sąveiką. Tai labiausiai patvirtinta teorija, nors ji neatsižvelgia į gravitaciją ir neapima tamsiosios energijos bei materijos.

Standartiniame modelyje yra dviejų tipų dalelės: fermionai, kurie sudaro materijos statybinius blokus, ir bozonai, kurie kontroliuoja sąveikas ir verčia fermionus susirinkti arba, atvirkščiai, išsisklaidyti skirtingomis kryptimis. Tuo remiasi visi natūralūs procesai — nuo ​​branduolinio skilimo iki šviesos lūžio, įskaitant chemines reakcijas.

Kvarkai, iš kurių pastatyti protonai ir neutronai, — tai fermionai. Jų būna šešių rūšių arba, kaip sako fizikai, "aromatų". Kiekvienam iš jų atitinka antidalelė su priešingais kvantiniais skaičiais. Mezonai — tai nestabilios dalelės, sudarytos iš vienodo skaičiaus kvarkų ir antikvarkų. Be to, fermionai apima leptonus: elektronus, miuonus, tau leptonus ir neutrinus.

Tyrinėdami kvarkus, fizikai išsiaiškino, kad jie grupuojasi į tris kartas, kurios skiriasi tik mase. Taip pat elgiasi leptonai.

Nuostabių kvarkų mįslė

Eksperimentiniam standartinio modelio patvirtinimui ir galimam jo išplėtimui Europos branduolinių tyrimų centre (CERN) Ženevoje buvo pastatytas didžiausias pasaulyje įkrautų dalelių greitintuvas — Didysis hadronų greitintuvas (Large Hadron Collider, LHC). Jis atliko savo pagrindinę užduotį, kai 2012 metais ten buvo aptiktas Higso bozonas, tačiau darbas tęsiasi. Įvairios mokslininkų grupės, arba kolaboracijos, lygiagrečiai LHC atlieka kelis ilgalaikius eksperimentus. Vienas iš jų, LHCb, skirtas b-kvarkų (iš anglų kalbos beauty — nuostabus) — sunkiųjų trečios kartos kvarkų — asimetrijos tyrimams. Pagrindinis klausimas — ar yra skirtumų tarp skirtingų kartų kvarkų ir leptonų sąveikos.

Nuostabūs kvarkai, kaip ir B-mezonai, yra sunkesnės dalelės, nestabilūs — jos vidutiniškai gyvena apie pusantros trilijonosios sekundės dalelės, kol suyra į elektronus ir miuonus. Standartiniame modelyje daroma prielaida, kad čia neveikia jokios kitos jėgos, išskyrus silpnąsias jėgas, o kaip rezultatas turėtų susidaryti vienodas elektronų ir miuonų skaičius. Tai ir nusprendė patikrinti LHCb nariai.

"Iki šiol visos sąveikos tarp skirtingų kartų leptonų buvo visiškai universalios. Ir staiga pastebėjome kai kuriuos anomalijų požymius trečios kartos kvarkų suirime į pirmosios ir antrosios kartos leptonus", — paaiškina vienas iš LHCb eksperimento dalyvių, fizikos ir matematikos mokslų daktaras Andrejus Golutvinas.

"Elektronas priklauso pirmajai leptonų kartai, o sunkesnis miuonas — antrajai, — komentuoja Jungtinio branduolinių tyrimų instituto Branduolinių problemų laboratorijos vyresnysis mokslo darbuotojas, fizikos ir matematikos mokslų daktaras Igoris Boiko, kuris taip pat dirbo Didžiajame hadronų greitintuve. — Standartinis modelis teigia, kad skirtingų kartų dalelės turi tą pačią sąveikos jėgą, paprasčiau tariant, krūvį ir skiriasi tik mase. Jei bus atskleisti skirtumai tarp dalelių kartų, tai visiškai pakeis visą šiuolaikinę fiziką, reikės sukurti visiškai naują teoriją, kuri pakeistų Standartinį modelį.

Mokslininkai tikisi, kad judėjimas šia kryptimi padės atsakyti į vadinamuosius didžiuosius šiuolaikinės fizikos klausimus: kas iš ko susideda tamsioji materija ir kokia yra materijos ir antimaterijos disbalanso priežastis.

Kai tikslumas yra svarbus

Pirmieji duomenys, rodantys skirtingą B-mezonų irimo metu susidarančių elektronų ir miuonų skaičių, pasirodė 2017 metais, tačiau tuometinio vertinimo tikslumas buvo apie 2,5 sigmos, tai yra, klaidos tikimybė buvo beveik vienas procentas, tai neleido kalbėti apie atradimą.

"Fizikoje yra labai griežti kriterijai. Atradimas — tai jei daugiau nei penkios sigmos, paklaidos tikimybė — mažesnė nei viena trismilijoninio procento dalis. Iki tol atsargiai sakoma "gautas nurodymas", — pažymi Boiko.

LHCb eksperimentas tęsėsi ir šių metų kovo mėnesį buvo paskelbti tikslesni duomenys. Išanalizavus trilijonus susidūrimų, buvo paskaičiuota, kad miuonai b-kvarkų irimo metu susidaro rečiau nei elektronai — apie 0,85 : 1.

Šį kartą tikslumas buvo trys sigmos, o klaidos tikimybė sumažėjo atitinkamai iki 0,3 proc. Vis tiek to neužtenka atradimui. Be to, buvo kalbama apie ribotą stebėjimų spektrą.

Dabar buvo pateikta pilna statistika. Tačiau tie, kurie laukė Standartinio modelis paneigimo, nusivylė. Skaičiavimai parodė, kad skilimas susidarius miuonams įvyko maždaug 70 procentų dažniau nei elektronų, tačiau tik pusantros sigmos tikslumu. Gautos vertės buvo vidury tarp anksčiau pastebėtų nukrypimų ir Standartinio modelio prognozių. Tai yra, leptonų universalumo pažeidimas nėra nei patvirtintas, nei paneigtas.

Mokslininkai teigia, kad norint padėtų tašką šiame klausime, reikia tęsti stebėjimus. Dabar LHCb eksperimentas modernizuojamas. Netrukus mokslininkai galės registruoti susidūrimus, vykstančius daug didesniu greičiu, o tai pagerins matavimų tikslumą.

Nauja jėga arba nauja dalelė

Net jei padaryti prielaidą, kad rezultatas bus patvirtintas, tai nereiškia, kad Standartinis modelis yra klaidingas. Pastebėtą efektą galima paaiškinti tuo, kad į jį įtraukta tam tikra penktoji jėga, skirtingai veikianti elektronus ir miuonus, arba nauja, iki šiol nežinoma dalelė.

"Yra modelių, numatančių naują dalelių klasę — leptokvarkų, kurie suardo simetriją tarp elektronų ir miuonų, tačiau jiems aptikti reikia kitos klasės eksperimentų. Jei juos pamatysime, galbūt rastume atsakymus į didelius klausimus apie tamsiąją materiją ir antomateriją", — sako Andrejus Golutvinas.

Hipotezė apie leptokvarkus — daleles, dėl kurių kvarkai ir leptonai gali sąveikauti ir transformuotis vienas į kitą, pasak mokslininko, turi teisę egzistuoti. Anksčiau, kai atrado universalumo pažeidimą skirtingų kartų neutrinams, fizikai svyravimų — skirtingų kartų neutrinų tarpusavio perėjimų — paaiškinimui taip pat siūlė ieškoti naujos dalelės — sterilių neutrinų. Kol kas nerado.