«Перевернет современную физику». Что увидели на Большом адронном коллайдере
- Физические силы и Стандартная модель
- Загадка прелестных кварков
- Когда точность имеет значение
- Новая сила или новая частица
© Depositphotos / sakkmesterkeЧитать ria.ru в В 2017-м ученые, участвующие в эксперименте LHCb на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН, сообщили об отклонении от Стандартной модели при распаде B-мезонов. Физики всего мира замерли в ожидании открытия новой элементарной частицы или ранее неизвестной силы природы. Но для начала нужно было провести дополнительные опыты и перепроверить расчеты. Наконец исследователи из коллаборации LHCb представили полные данные. Есть ли там что-то, не укладывающееся в общепринятые представления о строении материального мира, — в материале РИА Новости.Физические силы и Стандартная модельДостоверно известны четыре фундаментальные типа взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Эти силы природы управляют всем во Вселенной, от микромира до галактик.Стандартная модель описывает электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие элементарных частиц. Это самая подтвержденная теория, хотя не учитывает гравитацию, а также не охватывает темную энергию и материю.В Стандартной модели есть два вида частиц: фермионы, образующие строительные блоки материи, и бозоны, управляющие взаимодействиями и заставляющие фермионы собираться вместе или, наоборот, разлетаться в разные стороны. На этом основаны все природные процессы — от ядерного распада до преломления света, включая химические реакции.Кварки, из которых построены протоны и нейтроны, — это фермионы. Они бывают шести видов, или, как говорят физики, «ароматов». Каждому соответствует античастица с противоположными квантовыми числами. Мезоны — это нестабильные частицы из равного числа кварков и антикварков. Кроме того, к фермионам относятся лептоны: электроны, мюоны, тау-лептоны, а также нейтрино.Изучая кварки, физики выяснили, что они группируются в три поколения, различающиеся только массой. Так же ведут себя лептоны.© Depositphotos / edesignuaКлассификация элементарных частиц в соответствии со Стандартной модельюЗагадка прелестных кварковДля экспериментального подтверждения Стандартной модели и возможного ее расширения в европейском Центре ядерных исследований (ЦЕРН) в Женеве построили крупнейший в мире ускоритель заряженных частиц — Большой адронный коллайдер (БАК). Главную задачу он выполнил, когда в 2012-м там обнаружили бозон Хиггса, но работа продолжается. Разные группы ученых, или коллаборации, параллельно проводят на БАК несколько долгосрочных экспериментов. Один из них, LHCb, посвящен исследованиям асимметрии b-кварков (от английского beauty — прелестный) — тяжелых кварков третьего поколения. Основной вопрос — есть ли различия во взаимодействиях между кварками и лептонами разных поколений.Прелестные кварки, как и B-мезоны, более тяжелые частицы, нестабильны — в среднем живут около полутора триллионных долей секунды, прежде чем распасться на электроны и мюоны. Стандартная модель предполагает, что в этом не участвуют никакие другие силы, кроме слабых, а в результате должно образоваться равное количество электронов и мюонов. Это и решили проверить участники LHCb.»До сих пор все взаимодействия между лептонами разных поколений были совершенно универсальными. И вдруг мы увидели какие-то указания на аномалии в распадах кварков третьего поколения на лептоны первого и второго поколения», — объясняет один из участников эксперимента LHCb, доктор физико-математических наук Андрей Голутвин.»Электрон принадлежит первому поколению лептонов, а более тяжелый мюон — ко второму, — комментирует старший научный сотрудник лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований, кандидат физико-математических наук Игорь Бойко, тоже работавший на Большом адронном коллайдере. — Стандартная модель постулирует, что у частиц разных поколений одинаковая сила взаимодействия, упрощенно говоря, заряд и отличаются они только массой. Если выявят различия между поколениями частиц, это полностью перевернет всю современную физику, придется создавать совершенно новую теорию на смену Стандартной модели».Ученые надеются, что движение в этом направлении поможет ответить на так называемые большие вопросы современной физики: из чего состоит темная материя и в чем причина нарушения равновесия между материей и антиматерией.© Иллюстрация РИА НовостиДва варианта распада одной из разновидностей В-мезонов, состоящих из тяжелого b-кварка и легкого d-антикварка с образованием К-мезона (каона), состоящего из s-кварка и d-антикварка. В первом случае при распаде b-кварка образуется пара противоположно заряженных мюонов, во втором — пара электрон — позитронКогда точность имеет значениеПервые данные, указывающие на разное количество электронов и мюонов, образующихся при распаде B-мезонов, появились в 2017-м, но точность оценки на тот момент была примерно на уровне 2,5 сигмы, то есть вероятность ошибки составляла почти один процент, что не позволяло говорить об открытии.»В физике очень жесткие критерии. Открытие — это если больше пяти сигм, вероятность ошибки — менее одной трехмиллионной доли процента. До тех пор осторожно говорят «получено указание», — отмечает Бойко.Эксперимент LHCb продолжили и в марте этого года опубликовали более определенные данные. Проанализировав триллионы столкновений, подсчитали, что мюоны образуются при распаде b-кварков реже, чем электроны, — примерно 0,85 к одному.В этот раз точность была три сигмы, и вероятность ошибки снизилась, соответственно, до 0,3 процента. Все равно этого недостаточно для открытия. К тому же речь шла об ограниченном массиве наблюдений.Теперь представили полную статистику. Но тех, кто ждал опровержения Стандартной модели, постигло разочарование. Расчеты показали, что распады с образованием мюонов происходили примерно на 70 процентов чаще, чем электронов, однако при точности всего в полторы сигмы. Итоговые значения оказались посредине между ранее наблюдавшимися отклонениями и предсказаниями Стандартной модели. То есть нарушение универсальности лептонов ни подтверждено, ни опровергнуто.Чтобы поставить точку в этом вопросе, нужно продолжать наблюдения, считают ученые. Сейчас эксперимент LHCb модернизируют. Скоро исследователи смогут регистрировать столкновения, происходящие с гораздо большей скоростью, что повысит точность измерений.© Фото : CERNДетектор LHCb Большого адронного коллайдераНовая сила или новая частицаДаже если предположить, что результат подтвердится, это не означает, что Стандартная модель неверна. Объяснить наблюдаемый эффект можно включением в нее некой пятой силы, по-разному действующей на электроны и мюоны, или новой, неизвестной пока частицы.»Есть модели, которые предсказывают новый класс частиц — лептокварков, которые нарушают симметрию между электронами и мюонами, но для их обнаружения нужен другой класс экспериментов. Если мы их увидим, возможно, найдем ответы на большие вопросы о темной материи и антиматерии», — говорит Андрей Голутвин.Гипотеза лептокварков — частиц, за счет обмена которыми кварки и лептоны могут взаимодействовать и переходить друг в друга, по мнению ученого, вполне имеет право на существование. Ранее, когда обнаружили нарушение универсальности для нейтрино разных поколений, физики для объяснения осцилляций — взаимных переходов нейтрино разных поколений — также предложили искать новую частицу — стерильные нейтрино. Пока не нашли.
12 ноября 2020, 14:37НаукаВ ЦЕРНе впервые наблюдали частицу, состоящую из четырех кварков
