Новая частица из коллайдера грозит уничтожить всю физику

Ученые, работающие в составе коллаборации CMS, сообщили о вероятном обнаружении неизвестной частицы, распадающейся на мюоны с общей массой 28 гигаэлектронвольт (ГэВ). В настоящее время ни одна теоретическая модель не предсказывает существование этой частицы, однако ученые надеются, что эта аномалия не является результатом статистической ошибки. Препринт с результатами наблюдения доступен в репозитории arXiv.org. «Лента.ру» подробно рассказывает об исследовании, которое может оказаться как прорывным открытием, так и очередным пшиком.

Компактный мюонный соленоид, или CMS (англ. Compact Muon Solenoid), — крупный детектор элементарных частиц, расположенный на Большом адронном коллайдере (БАК). Этот гигантский прибор диаметром 15 метров и весом 15 тысяч тонн предназначен для поиска Новой физики — физики за пределами Стандартной модели. Если Стандартная модель описывает свойства всех известных элементарных частиц (и некоторых пока не подтвержденных), то гипотезы в рамках Новой физики пытаются объяснить различные явления, которые до сих пор остаются загадкой для ученых.

Согласно одной из гипотез — суперсимметрии — каждой известной элементарной частице соответствует более тяжелый по массе суперпартнер. Например, партнером электрона, который является фермионом, является бозон селектрон, а партнером глюона (который бозон) — фермион глюино. Однако отсутствие результатов по подтверждению суперсимметрии привело к тому, что от этой модели отказываются все больше ученых.

Внутри детектора происходят протон-протонные столкновения. Каждый протон состоит из трех кварков, которые удерживаются вместе глюонным полем. При высокой скорости, сравнимой со скоростью света, глюонное поле превращается в «суп» из частиц — глюонов. При лобовом столкновении протонов лишь несколько кварков или глюонов взаимодействуют друг с другом, остальные частицы беспрепятственно пролетают мимо. Происходят реакции, в ходе которых образуется множество короткоживущих частиц, а различные детекторы CMS регистрируют продукты их распада, включая мюоны. Мюоны напоминают электроны, однако в 200 раз массивнее.

С помощью детекторов, расположенных снаружи соленоида, ученые способны с высокой точностью отследить траектории мюонов и определить, что именно стало причиной появления той или иной частицы. Для того, чтобы повысить шансы получения редкой частицы, которая развалится на мюоны, требуется большое число протон-протонных столкновений. При этом генерируется астрономическое количество данных (около 40 терабайт в секунду), и для того, чтобы быстро найти в них что-то необычное, используется специальная триггерная система, которая решает, какую информацию записывать.

CMS совместно с детектором ATLAS, также расположенным на БАК, использовался для поиска бозона Хиггса, предсказанного в рамках Стандартной модели. Эта частица отвечает за массу W- и Z-бозонов (переносчиков слабого взаимодействия) и отсутствие массы у фотона и глюона. В 2012 году был обнаружен бозон Хиггса с массой 125 ГэВ. Однако ученые считают, что возможно существование и других бозонов Хиггса с меньшими массами, выходящих за рамки Стандартной модели. Их предсказывает двухдублетная хиггсовская модель и NMSSM (next-to-minimal supersymmetric Standard Model). Несмотря на все экспериментальные проверки, ученым до сих пор не удалось доказать или опровергнуть эти гипотезы.

Ученые на CMS ведут поиски и других легких экзотических частиц. К ним относятся, например, темные фотоны — переносчики совершенно нового фундаментального взаимодействия, напоминающего электромагнитное, и являющиеся аналогом фотонов для темной материи. Другой гипотетической частицей является темный аналог Z-бозона.

Физики провели эксперимент, чтобы найти свидетельства существования легкого бозона, который испускается парой прелестных кварков (b-кварков) и распадается на мюон и антимюон. В ходе эксперимента при протон-протонных столкновениях при энергии в системе центра масс (система, в которой частицы имеют равные и противоположно направленные импульсы), равной 8 ТэВ был зарегистрирован ряд событий, которые, вероятно, связаны с гипотетическим бозоном.

К первому роду событий относится появление струи b-кварков в центре детектора и передней его части, а ко второму — появление двух струй в центре и ни одной струи в передней части. В обоих случаях наблюдался избыток возникающих пар мюонов, при этом масса пар, как показал последующий анализ, достигала 28 ГэВ. Отличие количества мюонных пар от фоновых значений для событий первого рода равно 4,2 стандартного отклонения (сигмы), а для событий второго рода — 2,9 сигмы.

В физике частиц отличие в пять сигм говорит о достоверном существовании аномалии, которая не могла возникнуть случайно. Однако, если отличие лежит в диапазоне 3-5 сигм, то физики говорят, что это лишь указывает на существование новой частицы. В последнем случае необходимо получить гораздо больше данных для подтверждения (или опровержения) результата, чтобы исключить ошибки обработки и интерпретации данных. Если все подтвердится, то можно сказать, что мюоны возникают из-за распада частицы Новой физики.

Это не первый случай, когда на БАКе наблюдают явление, не вписывающееся в Стандартную модель. В 2016 году физики заявили об обнаружении признаков существования резонанса, соответствующего массивной короткоживущей частице. Ее зарегистрировали в 2015 году как избыток пар фотонов с общей массой 750 ГэВ, на которые эта частица якобы распадается. Иными словами, эта частица должна была быть в шесть раз массивнее бозона Хиггса. Однако анализ данных, собранных на коллайдере позднее, не подтвердил этот результат.

До сих пор физики не обнаружили никаких достоверных следов существования Новой физики. Однако нет сомнения, что она должна существовать, ведь Стандартная модель не способна объяснить такие явления, как проблема иерархии масс фермионов (для ее решения вводится гипотетический голдстоуновский бозон), существование массы у нейтрино, асимметрия материи и антиматерии, происхождение темной энергии и другие. Само наличие темной материи во Вселенной предполагает целый класс гипотетических частиц с экзотическими свойствами, из которых она состоит. Парадоксально, но все, что пока удается сделать ученым, это экспериментально подтверждать исчерпанную Стандартную модель.

Некоторые ученые предполагают, что если и получится доказать Новую физику, то это должно быть сделано в самом ближайшем будущем, в течение нескольких следующих лет. В противном случае можно будет всерьез опасаться, что значительных открытий человечество уже не сможет совершить. Обнадеживает то, что в последнее время на ускорителях находят все больше аномалий, намекающих на то, что ученые стоят на пороге чего-то совершенно нового.