Звідки прийде Нова фізика

Навчання 26 серпня 2022 Перегляди: 73

Експеримент ATLAS в CERN — один з майданчиків для вивчення важких кварків

Фізика елементарних частинок знаходиться на порозі принципово нових відкриттів. Епоха створення Стандартної моделі — яка пояснює все, що зараз відомо, — фактично завершилася, а епоха Нової фізики ще не настала. Звідки чекати нового, розповідає доктор фізико-математичних наук, провідний науковий співробітник Фізичного інституту ім. П. Н. Лебедєва РАН Олексій Друцький.

Стандартна модель

Перш ніж розповідати про те, що відбувається у фізиці важких кварків, потрібно змалювати ситуацію у фізиці елементарних частинок загалом. А вона досить складна. За останні десятиліття була детально розроблена так звана Стандартна модель (СМ), яка дозволяє пояснити всі відомі елементарні частинки та їх взаємодії. Ця модель підтверджена у величезній кількості експериментів. Як колись таблиця Менделєєва дозволила систематизувати відомі і передбачити нові хімічні елементи, так СМ дала можливість систематизувати відомі і передбачати нові частинки. Стандартна модель демонструє дивовижну симетрію між різними типами елементарних частинок.

У ДВ є три нейтрино з зарядом нуль, три кварки з зарядом 1/3, три кварки з зарядом 2/3 і три лептона з зарядом 1. Додатково в СМ вводяться векторні частинки (частинки зі спином 1) — щоб описати сильні, електромагнітні і слабкі взаємодії, крім того, в ДВ вводиться бозон Хіггса. Все це дозволяє отримати гарну згоду теоретичних передбачень з експериментами.

Елементарні частинки Стандартної моделі

Історія створення Стандартної моделі — це історія дивовижних успіхів, як у спостереженні нових частинок, так і в побудові теорії. У 1935-1950 роках, на додаток до раніше відкритих електрону, протону і нейтрону, були виявлені нові елементарні частинки — нейтрино, мюони, піони і каони. Поділ частинок на два класи — лептони і адрони, а пізніше введення поняття кварків дозволило провести первинну класифікацію частинок і взаємодій. Подальший розвиток було стимульовано відкриттям в 1970-х роках нових частинок — з «зачарованим» c-кварком, «принадним» b-кварком і t-лептона. У 1980-х роках експериментальне спостереження переносників слабких взаємодій, W— і Z-бозонів, а в 1990-х роках t-кварка остаточно сформувало сьогоднішню конфігурацію СМ. Останньою часткою, передбаченою в рамках СМ, був бозон Хіггса, відкритий у ЦЕРНі 2012 року, що стало повним тріумфом Стандартної моделі.

Побудова Стандартної моделі в цілому завершена, а що буде далі, ніхто не знає. Експериментатори намагаються знайти щось, що суперечило б Стандартній моделі, теоретики придумують нові моделі, що розширюють її. Частинки, процеси або моделі, що виникають у різних розширеннях Стандартної моделі, часто називають Новою фізикою. На жаль, поки результатів у пошуку Нової фізики домогтися не вдається. Теоретичних концепцій багато, але поки незрозуміло, яка краще. Зокрема, детально вивчена Суперсиметрія, але є й інші перспективні моделі. Щоб на щось спертися, теоретики чекають статистично значущих вказівок від експериментаторів, а ті поки не можуть виявити явних проявів Нової фізики.

Тут треба зробити невеликий відступ. Справа в тому, що експериментатори для пошуку нових частинок в основному використовують прискорювачі. Оскільки в сучасних прискорювачах стикаються частинки, що летять назустріч, їх називають коллайдерами, від англійського collide — «стикати». Як джерела елементарних частинок для досліджень використовуються також атомні реактори і космічні промені, але не так широко. Використання колайдерів дуже зручно, тому що результат завжди можна перевірити, набравши більше даних. Можна побудувати новий, більш потужний коллайдер і вивчити нову частинку або процес більш детально.

Спін — власний момент імпульсу мікрочастинок. Спін має суто квантову природу і тому не може бути пояснений як наслідок обертання частинки навколо своєї осі. Спин квантових частинок може бути або цілим, або напівцілим (в одиницях постійної Планка).

Елементарні частинки — квантові мікрочастинки, які, за сучасними уявленнями, не можна розщепити на складові частини. Деякі елементарні частинки, наприклад, протони і нейтрони, складаються з кварків (проте їх все одно не можна розщепити, це так званий конфайнмент). Елементарні частинки, які не мають внутрішньої структури, називаються фундаментальними.

Кварки — фундаментальні частинки, що володіють електричним зарядом, кратним однієї третини заряду електрону, і не спостерігаються у вільному стані, але входять до складу деяких елементарних частинок.

Матерія, антиматерія і темна матерія

Однак для розуміння фізики мікроміру, крім коллайдерів, можна використовувати астрофізичні спостереження. Так от, вивчаючи зірки і галактики, астрофізики зробили висновок, що повинні бути ще якісь частинки, яких немає в СМ. Тобто астрофізики можуть точно сказати, що Нова фізика існує, але не знають, як саме вона виглядає. Щоб відповісти на це запитання, треба побачити ці частинки на прискорювачах. А цього поки зробити не вдається.

Які ж конкретно астрофізичні явища не вдається пояснити в рамках Стандартної моделі?

По-перше, ми точно знаємо, що зірки складаються з матерії, а антиматерії практично немає. В рамках СМ це незрозуміло. У момент народження Всесвіту — Великого вибуху — матерія і антиматерія повинні були народжуватися в рівній мірі, проте потім антиматерія кудись зникла. Повинен бути процес, в якому антиматерія зникає, а матерія залишається, але в рамках СМ такого немає. Потрібні якісь ще невідомі частинки Нової фізики, які можуть забезпечити зникнення антиматерії.

По-друге, в астрофізиці спостерігаються явища, що прямо вказують на існування невідомої — темної — матерії, і більше того, темної енергії, які також неможливо пояснити в СМ. У Всесвіті спостерігаються сили гравітаційного тяжіння в кілька разів більші, ніж ті, які були б, якби існували тільки видимі зірки і галактики. Це вказує на існування темної матерії, яка складається з якихось невідомих частинок Нової фізики. Тому фізики думають, як створити більш загальну теорію, яка одночасно опише і елементарні частинки, і астрофізичні спостереження і дозволить пояснити саму Стандартну модель.

Між двох епох

Фактично в даний час завершено великий етап розвитку фізики елементарних частинок. Сьогодні ми опинилися між двох епох. Епоха створення Стандартної моделі закінчилася, а епоха Нової фізики ще не настала. Які можливості для науки, а може бути, і практичного використання, можуть відкритися, ніхто не знає. Чи буде відкрито щось таке, що, як електрика, переверне наше життя? А можливо, ми просто зробимо ще один невеликий крок вперед.

Нову фізику шукають у всіляких напрямках. Шукають на Великому адронному колайдері, де величезні енергії зіткнень відкривають можливість безпосередньо спостерігати частинки Нової фізики. Будують унікальні підземні детектори, на яких можуть спостерігатися сліди темної матерії. Будують величезні детектори для вивчення властивостей нейтрино, де також можна очікувати прояви Нової фізики. Будують колайдери з величезною інтенсивністю пучків в надії побачити рідкісні процеси, які заборонені в Стандартній моделі.

Нову фізику обіцяють важкі кварки

Одним з напрямків досліджень на коллайдерах з великою інтенсивністю — великим числом прискорених і зібраних у вузький пучок частинок — є вивчення важких кварків. Важкими називають три кварки, що мають велику масу: c-кварк, b-кварк і t-кварк. Їх назва походить від слів «зачарований» (charm), «прекрасний» (beauty) і «верхній» (top). Фізики люблять використовувати красиві назви. Найважчий серед відомих частинок, t-кварк, це надзвичайно цікавий об’єкт. Але його властивості сильно відрізняються від властивостей двох інших важких кварків, c-кварка і b-кварка. В одній короткій статті немає можливості обговорити такі різні об’єкти, тому тут потрібно обмежитися розповіддю про те, що нового відбувається в дослідженні властивостей c-кварка і b-кварка.

Останні десятиліття йде змагання, хто побудує колайдер, на якому можна виробити більше частинок, що включають c— і b-кварки. На початку 1990-х років рахунок таких так званих зачарованих і прекрасних частинок йшов на сотні тисяч, потім на мільйони. Сьогодні на коллайдерах народжуються десятки і навіть сотні мільярдів прекрасних і зачарованих частинок. Зрозуміло, важливо не тільки провести, а й зареєструвати (або, як кажуть, реконструювати) розпади цих частинок. Для цього розробляються все більш складні детектори. Цікаво відзначити, що фізики зазвичай будують два дуже схожих експерименти, які повинні змагатися між собою. Хоча це вдвічі дорожче, проте зрештою конкуренція окупається. Конкуренція дозволяє швидше розвивати технології колайдерів і детекторів, відсіювати помилкові результати.

На сьогоднішній день великі обсяги даних по розпадах частинок, що включають c— і b-кварк, накопичені на експериментах Belle (Японія) і BaBar (США). Ці експерименти кілька років тому зупинені. У 2018 році має стартувати модернізований Belle II, який дозволить збільшити продуктивність порівняно з Belle приблизно в 50 разів. Вивчення c-кварку активно ведеться в Китаї на експерименті BES III. Велика статистика за розпадами важких кварків накопичена на теватроні в США в експериментах D0 і CDF, які також вже зупинені. Але найбільший обсяг реконструйованих прекрасних і зачарованих частинок є в ЦЕРНі (Швейцарія) в експериментах CMS, ATLAS і LHCb. Треба зазначити, що експеримент LHCb спеціально побудований саме для вивчення важких кварків.

Перші натяки на Нову фізику

За останній час у фізиці прекрасних і зачарованих кварків було отримано багато цікавих результатів. В принципі, розпади c— і b-кварків дуже різноманітні, вже вдалося спостерігати кілька сотень каналів їх розпадів. Але все ж, як було сказано вище, найважливіше — це побачити щось, що не відповідає передбаченням СМ. І ось недавно деякий натяк на Нову фізику в цій області виник.

Взагалі-то за останній час було вже кілька натяків на Нову фізику. У ЦЕРНі, в експериментах ATLAS і CMS був отриманий натяк на нову дуже важку частинку. Через деякий час статистика була збільшена, і на нових даних сигнал не підтвердився. Потім у тих же експериментах побачили натяк на народження ще одного, більш важкого, бозона. І знову при збільшенні статистики сигнал не підтвердився. Це було величезним розчаруванням для фізичної спільноти. Результати, не пояснені в рамках СМ, бували і раніше, але все ж не настільки вражаючі і не настільки обнадійливі.

Серед фізиків давно йде суперечка, в якому випадку нові результати повинні бути представлені громадськості. Важко втриматися, щоб не заявити, що спостерігається цікавий сигнал, навіть його достовірність не надто висока. Однак якщо фізики зазвичай розуміють, що якийсь сигнал з великою ймовірністю може і не підтвердитися, то громадськість цього не розуміє. Тут необхідний баланс між відкритістю і непотрібною сенсаційністю. У будь-якому випадку важливо пояснювати, який результат не дуже надійний, а який достовірний майже на 100%.

Повертаючись до фізики важких кварків, потрібно сказати, що черговий натяк на Нову фізику з’явився в розпадах B-мезонів. Надійність цього результату поки не дуже велика. Однак результат дуже цікавий і вже має чималу статистичну значимість. Треба сказати, що в рамках СМ можна проводити обчислення з високою точністю. Іноді точність буває найвищою, іноді не дуже високою — але не тому, що формули неточні. Просто деякі обчислення технічно дуже складні. У таких випадках зазвичай вдається оцінити, яка точність обчислень досягнута. Тоді отримують значення і його неточність (похибка обчислення), наприклад, 5%.

Так от, цілий ряд вимірювань відносних ймовірностей розпадів В-мезонів вказує на відмінність властивостей лептонів. У ДВ існують три лептона: електрон, мюон і t-лептон (не рахуючи їх античастинок) і передбачається, що три лептона у всіх процесах повинні вести себе однаково. У рамках цього припущення можна порахувати ймовірності розпадів В-мезонів з лептонами в кінцевому стані і порівняти їх з експериментом. У декількох експериментах, зокрема на B-фабриках Belle і BaBar, а також на Великому адронному колайдері виходять відмінності між розрахунками та експериментальними вимірами. Причому всі отримані експериментальні значення менше теоретичних передбачень. Природним поясненням може служити те, що лептони утворюються в процесах, не врахованих в СМ. Таку відмінність у поведінці лептонів назвали порушенням «універсальності лептонного числа».

На жаль, проведені експериментальні вимірювання мають велику похибку і, як наслідок, різниця між експериментом і теорією не має високої значущості, поки це лише натяк. Але і знехтувати цим не можна — отримана різниця вже вище стандартного порогу, який фізики використовують, щоб кваліфікувати це як «свідоцтво». Поки ще не «спостереження», для якого встановлено більш високий поріг, але вже дещо. Є і ще одна проблема — немає повної ясності в тому, наскільки точно проведені теоретичні обчислення. Їх точність оцінюється як дуже висока, але сумніви все ж є. Обговорюється можливість додаткових поправок, які не були акуратно враховані. Питання залишається відкритим: чи була це статистична флуктуація і різниця зникне при збільшенні статистики, чи були недостатньо точно проведені обчислення або це буде першим наглядом Нової фізики у вигляді порушення лептонної універсальності. Вже й теоретики запропонували цілий ряд моделей Нової фізики, в рамках яких можна пояснити ці відхилення: нові важкі векторні мезони, лептокварки, заряджені бозони Хіггса і деякі інші пояснення.

Модернізація зоопарку частинок

Деякий час тому у фізиці c— і b-кварків швидко розвинувся ще один цікавий напрямок. Воно не пов’язане з Новою фізикою і цілком вкладається в Стандартну модель. Як відомо, у ДП є такі частинки: лептони, кварки, фотон, глюон, векторні бозони і бозон Хіггса. Однак крім них існує величезна кількість частинок, які є пов’язаними статками кварків і антикварків. Ці частинки не зовсім елементарні, вони складаються з кварків. Такі частинки називаються адронами, і їх повний набір («зоопарк частинок») можна описати в рамках простого припущення, що вони складаються з кварка і антикварка або ж з трьох кварків (або трьох антикварків). Адрони, що складаються з кварка і антикварка, називають мезонами, з трьох кварків або трьох антикварків — баріонами. Однак у рамках ДВ нічому не суперечить поява частинок з більш складних наборів кварків, наприклад, двох кварків і двох антикварків, їх називають тетракварками. Або чотирьох кварків і одного антикварка, які називають пентакварками.

Пентакварки — нові частинки, що складаються з 4 кварків і 1 антикварку. Вони можуть бути як сильно пов’язаною п’ятикварковою конструкцією, так і «молекулою» з двох- і трикваркових утворень

Пошук екзотичних частинок, що складаються з великої кількості кварків, вівся дуже давно. Було багато «відкриттів» багатокваркових частинок, які були закриті при збільшенні статистики. У якийсь момент взагалі стали виникати сумніви в їх існуванні. Але за останнє десятиліття несподівано було з високою надійністю виявлено цілий ряд таких частинок. У 2003 році колаборація Belle побачила незвичайну частинку X (3872). Було багато дискусій, чи є ця частинка чотирикварковою молекулою або все ж це звичайна кварк-антикваркова частинка. Сьогодні більшість фізиків вважає, що X (3872) — квантова суміш того й іншого. Але все ж однозначно це стверджувати не можна. Однак у 2007 році, теж колаборацією Belle, була виявлена чотирикваркова заряджена частинка X + (4430), яка в принципі не може бути звичайною кварк-антикварк комбінацією. Причому спостереження було підтверджено іншими колабораціями, надійність результату дуже висока. Потім були знайдені й інші подібні частинки. Сьогодні відомо вже понад 20 таких частинок, що дозволяє провести їх первинну класифікацію. Крім того, колаборація LHCb виявила пентакварки.

Судячи з усього, ці нові частинки нагадують молекули. За аналогією зі звичайною молекулою, тут вважається, що молекулярна структура багатокваркових частинок проявляється в тому, що є компактні об’єкти (звичайні «старі» частинки), які між собою пов’язані не настільки сильно. Як буде розвиватися цей напрямок з вивчення багатокваркових станів, поки до кінця не зрозуміло. Крім слабо пов’язаних молекулярних конфігурацій, можливе існування сильно пов’язаних багатокваркових конструкцій. У будь-якому випадку, ці нові частинки дозволяють краще зрозуміти, як працюють сили, які не до кінця вивчені на теоретичному рівні. Можливо, надалі ми зрозуміємо, як створювати ці нові частинки і як вони можуть бути використані.

Дві представлені тут теми є сьогодні найбільш привертають увагу у фізиці c— і b-кварків. Хоча в цій галузі є й інші нові цікаві результати, зокрема в області порушення СР-парності, в рамках короткого оповідання хотілося зупинитися саме на цих двох темах.

Томські вчені ТПУ тестують у ЦЕРНі алмазні детектори

Наукова група Томського політехнічного університету бере участь в оновленні Великого адронного колайдера (БАК) в Європейському центрі ядерних досліджень (ЦЕРН). Томські вчені аналізують наявні на БАК алмазні датчики з метою їх модернізації, а також працюють над створенням алмазних детекторів нового покоління.

«Енергії, які виникають під час експериментів на БАК, — найвищі у світі. Умови експериментів теж незвичайні — зіткнення частинок відбуваються кожні 28 наносекунд. Відповідно, потрібні надійні і максимально точні детектори «, — зазначає Павло Каратаєв, професор університету Royal Holloway, один з організаторів роботи наукової групи ТПУ в ЦЕРНі.

Група ТПУ входить до складу проекту BRIL (Beam Radiation Instrumentation and Luminosity) з вимірювання характеристик пучка елементарних частинок. Група працює над підвищенням надійності існуючої системи алмазних датчиків BCML (Beam Condition Monitor Leakage), що відповідає за безпеку на БАК, а також тестує власні детектори з синтетичних алмазів, що вирощуються вченими Інституту фізики високих технологій ТПУ.

За словами Павла Каратаєва, в найближчому майбутньому ЦЕРН планує збільшити інтенсивність протонного пучка в десять разів. Якщо це зробити зараз, не підготовлені до таких навантажень датчики просто перестануть виконувати свою функцію. «Детектори, які встановлені на БАК зараз, поводяться часто непередбачувано, і не завжди вдається визначити причину відмінності в їх характеристиках. Наприклад, чому з двох однакових датчиків один швидко виходить з ладу, а інший працює багато місяців. Ми намагаємося з’ясувати, що відбувається всередині детекторів, щоб зробити їх точнішими і стійкішими до високих енергій «, — розповідає Віталій Охотников, інженер Інституту фізики високих технологій ТПУ, який курирує в ЦЕРНі проект BCML.

«Нам належить протягом двох місяців опромінювати ці датчики частинками, щоб визначити для кожного свою робочу напругу, спрогнозувати швидкість зносу та інші характеристики, — пояснює Віталій Охотников. — Також ми ставимо собі за мету розробити детектори на основі синтетичних алмазів і виготовляти їх вже на базі ТПУ. Вони будуть відрізнятися більшою зносостійкістю і передбачуваними робочими параметрами «.

Вчені ТПУ беруть також участь у модернізації системи безпеки BCML ЦЕРНу. Система автоматично вимикає прискорювачі при перевищенні рівня світності і радіації.