С завръщането на Големия адронен колайдер надеждите на физиците се увеличават

През април учени от Европейския център за ядрени изследвания или CERN, извън Женева, отново изстреляха своето космическо оръдие – Големия адронен колайдер. След тригодишно прекъсване за ремонти и надстройки, колайдерът възобнови изстрелването на протони – голите вътрешности на водородни атоми – около 17-километровата подземна електромагнитна писта. В началото на юли LHC ще започне да разбива тези частици заедно, за да образува искри от първична енергия.

И така страхотната игра на търсене на тайната на Вселената е на път да се завърне отново, сред нови разработки и нови надежди за физиците на елементарните частици. Още преди обновяването си Collider даваше намеци, че природата може да крие нещо невероятно. Митеш Пател, физик по елементарни частици от Imperial College London, който проведе експеримента в CERN, описа данните от предишните си курсове като „най-вълнуващия набор от резултати, които съм виждал в кариерата си“.

Преди десетилетие физиците от ЦЕРН направиха глобални заглавия с откриването на бозона на Хигс, дълго търсена частица, която предава маса на всички други частици във Вселената. Какво остава да се намери? Оптимистичните физици казват почти всичко.

Когато колайдерът на CERN беше включен за първи път през 2010 г., Вселената беше готова да се хване. Машината, най-голямата и най-мощната, създавана някога, е проектирана да открие бозона на Хигс. Тази частица е крайъгълният камък на Стандартния модел, набор от уравнения, които обясняват всичко, което учените са успели да измерят в субатомния свят.

Но има по-дълбоки въпроси за Вселената, които Стандартният модел не обяснява: Откъде идва Вселената? Защо е направен от материя, а не от антиматерия? Каква е „тъмната материя“, която прониква във Вселената? Как самата частица на Хигс има маса?

Физиците се надяваха, че някои отговори ще се материализират през 2010 г., когато Големият колайдер за първи път заработи. Нищо не се е появило освен Хигс – по-специално, нямаше нова частица, която да обясни природата на тъмната материя. Разочароващо е, че стандартният модел се задържа стабилно.

Колайдерът беше затворен в края на 2018 г. за обширни надстройки и ремонти. Според текущия график колайдерът ще продължи да работи до 2025 г. и след това ще бъде спрян за още две години, докато не бъдат инсталирани допълнителни мащабни надстройки. Сред този набор от подобрения са подобрения на гигантските детектори, разположени в четири точки, където протонните лъчи се сблъскват и разлагат остатъците от сблъсъка. От юли работата на тези реагенти ще бъде прекъсната за тях. Лъчовете от протони са компресирани, за да станат по-плътни, увеличавайки шансовете за сблъсък на протоните в точките на пресичане – но създава объркване за детекторите и компютрите под формата на множество спрейове от частици, които трябва да се разграничават един от друг.

„Данните ще идват с много по-бърза скорост, отколкото сме свикнали“, каза д-р Пател. Там, където е имало само веднъж сблъсъци на всяко пресичане на лъчи, сега ще има повече от пет.

„Това прави живота ни малко по-труден, защото трябва да можем да намерим нещата, които ни интересуват сред всички тези различни взаимодействия“, каза той. „Но това означава, че е по-вероятно да видите нещото, което търсите.“

Междувременно различни експерименти разкриха потенциални пукнатини в Стандартния модел – и намекнаха за по-широка, по-дълбока теория на Вселената. Тези открития включват рядко поведение на субатомни частици, чиито имена са непознати за повечето от нас в космическите тераси.

вземи мюона, Субатомна частица стана известна за кратък период миналата година. Мюоните често се наричат ​​липидни електрони; Те имат същия отрицателен електрически заряд, но имат маса 207 пъти по-голяма. — Кой поиска това? Физикът Исадор Рабе каза, когато мюоните бяха открити през 1936 г.

Никой не знае къде мюоните се вписват в голямата схема на нещата. Те се създават от сблъсък на космически лъчи и – при събития на колайдер – и се разпадат радиоактивно за микросекунди до искрящи електрони и призрачни частици, наречени неутрино.

Миналата година екип от около 200 физици, свързани с Националната ускорителна лаборатория на Ферми в Илинойс, съобщи, че Мюоните, въртящи се в магнитно поле, осцилират по-бързо отколкото предвижда стандартният модел.

Несъответствието с теоретичните прогнози дойде на осмия знак след десетичната запетая на стойността на параметъра, наречена g-2, която описва как дадена частица реагира на магнитно поле.

Учените приписват частичната, но реална разлика на квантовия шепот на неизвестни досега частици, които за кратко биха се материализирали около мюона и биха повлияли на неговите свойства. Потвърждаването на наличието на частици в крайна сметка би нарушило Стандартния модел.

Но две групи теоретици все още работят, за да съгласуват своите прогнози за това какъв трябва да бъде g-2, докато чакат повече данни от експеримента на Fermilab.

„Аномалията на g-2 все още е много жива“, каза Аида Х Грийн, физик от Университета на Илинойс, който помогна за провеждането на тригодишно усилие, наречено инициатива за теория на Muon g-2, за да излезе с консенсусна прогноза. „Аз лично съм оптимист, че пукнатините в Стандартния модел ще доведат до земетресение. Въпреки това, точната позиция на пукнатините все още може да бъде движеща се цел.“

Мюонът се появява и в друга аномалия. Главният герой или вероятно злодеят в тази драма е частица, наречена B кварк, който е един от шестте вида кварки, които съставляват по-тежки частици като протони и неутрони. B означава дъно или красота. Такива кварки се срещат в двукваркови частици, известни като мезони B. Но тези кварки са нестабилни и склонни да се срутят по начини, които изглежда нарушават Стандартния модел.

Някои от по-редките разпади на B кварка включват поредица от реакции, завършващи с различен, по-лек тип кварк и двойка леки частици, наречени лептони, или електрони, или мюони. Стандартният модел твърди, че е по-вероятно да се появят електрони и мюони в тази реакция. (Има трети по-тежък лептон, наречен тау, но той се разпада твърде бързо, за да бъде забелязан.) Но д-р Пател и колегите му са открили повече електронни двойки, отколкото мюонни двойки, нарушавайки принципа, наречен лептонна универсалност.

„Това може да е стандартен модел убиец“, каза д-р Пател, чийто екип изследва B-кварки, използвайки един от детекторите на Големия адронен колайдер, LHCb. Тази аномалия, подобно на магнитната аномалия на мюона, загатва за неизвестен „инфлуенсър“ – частица или сила, която пречи на взаимодействието.

Една от най-драматичните възможности, ако тези данни се задържат в хода на следващия колайдер, казва д-р Пател, е субатомна спекулация, наречена лептокварк. Ако частица съществува, тя би могла да преодолее пропастта между двата класа частици, които съставляват физическата вселена: леки лептони – електрони и мюони, но също и неутрони – и по-тежки частици като протони и неутрони, които са съставени от кварки. Озадачаващото е, че има шест вида кварки и шест вида лептони.

„Ние влизаме в тази надпревара с повече оптимизъм относно възможността за предстояща революция“, каза д-р Пател. — Пръстите са преплетени.

В този зоопарк има още една частица, която се държи странно: W бозонът, който предава така наречената слаба сила, отговорна за радиоактивния разпад. През май физици с Collider Detector във Fermilab, или CDF, Докладвах за 10-годишно усилие за измерване на масата на тази частицана базата на около 4 милиона бозона, събрани от сблъсъци в Tevatron на Фермилаб, който беше най-мощният колайдер в света, докато не беше построен Големият адронен ускорител.

Според Стандартния модел и предишни измервания на масата, W бозонът трябва да тежи около 80,357 милиарда електронволта, единицата за масова енергия, предпочитана от физиците. За сравнение, бозонът на Хигс тежи 125 милиарда електронволта, което е еквивалентно на теглото на йоден атом. Но CDF мярката на W, най-точната досега, беше по-висока от очакваното на 80,433 милиарда. Експериментаторите изчислиха, че има само един шанс от 2 трилиона – 7 сигма, казано на езика на физиката – това несъответствие е статистически шанс.

Масата на W бозона е свързана с масите на други частици, включително прословутия Хигс. Така че това ново несъответствие, ако се задържи, може да бъде още една пукнатина в Стандартния модел.

Въпреки това, и трите отклонения и надеждите на теоретиците за революция могат да се изпарят с повече данни. Но за оптимистите и трите сочат в една и съща окуражаваща посока към частици или скрити сили, пречещи на „известната“ физика.

„Така че една нова частица, която може да обясни както масата G-2, така и масата W, може да бъде в обсега на Големия адронен колайдер“, каза Кайл Кранмър, физик от Университета на Уисконсин, който работи върху други експерименти в CERN.

Джон Елис, теоретик от CERN и Kings College London, отбелязва, че са публикувани най-малко 70 научни статии, предлагащи обяснения за новото несъответствие в W-блока.

„Много от тези обяснения също изискват нови частици, които може да са в обсега на LHC“, каза той. „Споменах ли тъмната материя? Значи има много неща, за които трябва да внимавате!“

Ще бъде вълнуващо. Ще бъде упорита работа, но ние наистина искаме да видим какво имаме и дали има нещо наистина вълнуващо в данните“, каза д-р Пател за предстоящото състезание.

Той добави: „Можете да преминете през научна кариера и да не можете да кажете това веднъж. Така че се чувствате като привилегия.“