Наступает эра "Новой физики"

В свете последнего анализа распада прелестных мезонов, ученые заговорили о рассвете новой эры — так называемой «новой физики». Важный вклад в анализ был сделан физиками Института ядерной физики Польской академии наук в Польше (IFJ PAN).

Пока мы не можем назвать это открытием. Пока. Тем не менее кое-что указывает на то, что физики, работающие на ускорителе БАК в Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) возле Женевы, могут увидеть первые следы физики за пределами существующей теории, описывающей структуру вещества. Это указание вытекает из последнего анализа данных, собранных экспериментом LHCb в 2011-2012 годы.

«Если описать все языком кино, когда-то у нас было несколько утекших сцен из долгожданного блокбастера, но теперь БАК, наконец, порадовал фанатов первым реальным трейлером», — говорит профессор Мариуш Витек (IFJ PAN).

Для описания структуры вещества на шкале элементарных частиц мы используем Стандартную модель, теоретическую основу, сформулированную в 1970-е годы. Частицы, которые мы ныне считаем элементарными, играют разные роли. Бозоны переносят силы: фотоны связывают с электромагнитными взаимодействиями, восемь типов глюонов ответственны за сильное взаимодействие, а бозоны W+, W- и Z0 посредничают в слабых взаимодействиях.

Вещество образуется частицами под названием фермионы, которые делятся на кварки и лептоны. В Стандартной модели есть шесть типов кварков (верхний, нижний, странный, очарованный, прелестный, истинный) и шесть типов лептонов (электроны, мюоны, тау-лептоны и три соответствующих им нейтрино). Недавно обнаруженный бозон Хиггса обеспечивает частицы массой (все, кроме глюонов и фотонов).

«До сих пор все измерения соответствовали предсказаниям Стандартной модели. Тем не менее мы знаем, что Стандартная модель не может объяснить все особенности Вселенной. Она не предсказывает массы частиц и не рассказывает нам, почему фермионы организованы в три семьи. Откуда взялось преобладание материи над антиматерии во Вселенной? Что такое темная материя? Эти вопросы остаются без ответа. Более того, гравитация вообще не входит в эту модель, а эту силу мы испытываем ежедневно», — говорит Витек.

До сих пор ученые, работающие на БАК, были сосредоточены на поиске бозона Хиггса (эксперименты ATLAS и CMS), разработке отличий между материей и антиматерией (эксперимент LHCb) и испытаниях кварк-глюонной плазмы (эксперимент ALICE). Теперь внимание больше уделяется поиску новых элементарных частиц за пределами Стандартной модели.

Эксперименты ATLAS и CMS пытаются увидеть такие частиц напрямую. Однако нельзя исключать, что масса новых частиц слишком высока, чтобы их можно было произвести на энергиях ускорителя БАК. Тогда единственным способом поиска новых частиц будет наблюдение за влиянием новых частиц на явления, которые мы наблюдаем при низких энергиях. Такое влияние может проявляться в изменениях частоты распада прелестных мезонов или углового распределения продуктов их распада.

В 2011 году, вскоре после сбора первых образцов эксперимента LHCb, была обнаружена загадочная аномалия, касающаяся прелестного мезона. Эти мезоны состоят из легкого кварка, который мы можем найти в протонах и нейтронах, образующих вещество вокруг нас, и тяжелого прелестного антикварка, который может быть создан на БАК. Частицы, состоящие из пары кварк-антикварк, являются неустойчивыми, так что быстро распадаются.

Аномалию обнаружили в распаде B-мезона, содержащего два мюона среди своих продуктов. При описании конечного состояния этого распада необходимо до восьми параметров. Они определяют угловое распределение продуктов распада, то есть углы, под которыми разлетаются частицы. Традиционный метод определения этих параметров может привести к ложным результатам для небольшого числа таких наблюдаемых распадов. Доктор Марцин Кржашич из IFJ PAN, один из главных авторов анализа, предложил альтернативный метод, в котором каждый параметр определяется независимо от других.

«Мой подход можно уподобить определению года, в который был сделан семейный портрет. Вместо того чтобы смотреть на картину в целом, лучше проанализировать каждого человека отдельно, и с этой точки зрения попытаться определить год, в который был сделан снимок», — объясняет Кржашич.

Последний анализ важен не только своей точностью. Результаты данных 2011 года подтвердились данными 2012 года. Это увеличивает вероятность того, что физики столкнулись с подлинным явлением, а не непредвиденным артефактом измерений.

«В поиске новых явлений или новых частиц, предполагается, что когда эффект отличается от предсказания конкретной теории более чем на три стандартных отклонения — 3 сигма, — это служит указанием, но мы не можем говорить об открытии, пока уровень точности не вырастет до 5 сигма. Выражаясь несколько иначе, 5 сигма означает, что мы имеем дело с вероятностью меньше 0,000035%, что случайные флуктуации могли вызвать увиденный нами результат. В настоящее время наблюдения таких распадов привели наш анализ к отклонению в 3,7 сигма. Так что мы все еще не можем говорить об открытии, но явно движемся в интересном направлении», — говорит Кржашич.

Что может быть причиной наблюдаемого эффекта? Наиболее популярной гипотезой среди теоретиков является существование нового промежуточного бозона Z’, участвующего в распаде B-мезонов. Это также объясняет другой, несколько более слабый эффект, наблюдаемый в других распадах B-мезонов, определяя универсальность лептонов. Тем не менее в рамках Стандартной модели все это не кажется немыслимым: возможно, теоретические расчеты не принимают во внимание ряд важных факторов, влияющих на механизм распада.

БАК недавно начал очередной раунд столкновения протонов на более высоких уровнях энергии, к концу которого физики получат новый пул данных для анализа. Станет ли реальностью новая физика?

Как говорит профессор Витек: «Все так же, как с хорошим фильмом: все задаются вопросом, что будет в конце, и никто не хочет ждать».