"Перевернет современную физику". Что увидели на Большом адронном коллайдере

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 модель

Достоверно 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.

Классификация элементарных частиц в соответствии со Стандартной моделью

Загадка прелестных кварков

Для 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.

Два 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 — позитрон

Когда точность имеет значение

Первые 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.

Детектор LHCb Большого адронного коллайдера

Новая сила или новая частица

Даже 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.