Сергій Пономарьов
Великий адронний колайдер здивував фізиків: експеримент натякнув на нову фізику
Дослідження, проведене на Великому адронному колайдері, привернуло увагу фізиків незвичною поведінкою субатомних частинок. Під час аналізу процесів, у яких одні частинки перетворюються на інші, науковці побачили відхилення від прогнозів Стандартної моделі фізики частинок. Ця теорія протягом десятиліть надзвичайно точно описувала властивості матерії та фундаментальних взаємодій, однак нові результати можуть свідчити, що вона не є повною.
Йдеться не про пряме відкриття нової частинки, а про важливий натяк. У деяких розпадах частинки поводяться не зовсім так, як передбачають розрахунки. Різниця поки що недостатня, щоб оголосити про остаточне відкриття, проте вона змушує дослідників уважніше перевіряти дані, вдосконалювати теоретичні моделі та шукати можливі пояснення за межами відомої фізики.
Що саме здивувало дослідників
У мікросвіті частинки можуть нестабільно існувати та перетворюватися на інші об’єкти. Такі процеси називають розпадами. Під час них початкова частинка зникає, а натомість утворюються нові частинки з певними енергіями, зарядами й іншими характеристиками. Стандартна модель дозволяє надзвичайно точно розрахувати, як часто мають відбуватися різні варіанти розпаду.
Експериментальні дані, отримані за допомогою детекторів Великого адронного колайдера, показали, що співвідношення між окремими каналами перетворення може відрізнятися від очікуваного. Іншими словами, частинки одного типу, ймовірно, розпадаються на різні набори продуктів не в таких пропорціях, як передбачає чинна теорія. Саме подібні невідповідності можуть стати ключем до пошуку нових законів природи.
Особливий інтерес викликають процеси за участю важких кварків. Кварки є фундаментальними складовими протонів, нейтронів та багатьох інших частинок. Вони не спостерігаються ізольовано, але можуть входити до складу короткоживучих частинок, які виникають у зіткненнях протонів. Вивчення їхніх розпадів дає змогу перевірити, чи однаково фундаментальні сили діють на різні типи матерії.
Якщо відмінність підтвердиться, це може означати, що на процеси впливає невідома частинка, нове поле або сила, яку Стандартна модель не враховує. Така частинка може існувати дуже недовго й не фіксуватися безпосередньо. Її присутність тоді проявляється опосередковано — через зміну швидкості або ймовірності певного розпаду.
Чому Стандартна модель може бути неповною
Стандартна модель описує шість типів кварків, шість лептонів, бозони-переносники фундаментальних взаємодій і бозон Гіггса. Вона пояснює електромагнітну, слабку та сильну взаємодії, а її передбачення неодноразово підтверджувалися експериментально. Відкриття бозона Гіггса стало одним із найважливіших успіхів цієї теорії.
Водночас модель має очевидні межі. Вона не дає повного пояснення темної матерії, природи темної енергії та переваги матерії над антиматерією у Всесвіті. Також у ній немає узгодженого опису гравітації на квантовому рівні. Тому фізики давно припускають, що за межами відомих частинок можуть існувати додаткові об’єкти або взаємодії.
Нова аномалія може стати частиною ширшої картини. Протягом останніх років різні експерименти іноді фіксували результати, які не повністю збігалися з прогнозами. Окремо кожна така розбіжність може пояснюватися статистичною випадковістю, особливостями роботи детектора або неточністю теоретичних обчислень. Але якщо кілька незалежних вимірювань демонструють схожу тенденцію, інтерес до них різко зростає.
Важливо розуміти, що незвичайний результат не дорівнює відкриттю нової фізики. У науці надзвичайні твердження потребують надзвичайно переконливих доказів. Фізики мають виключити помилки калібрування приладів, вплив фонових процесів, неправильне моделювання зіткнень і статистичні коливання. Лише після цього можна буде говорити про стійку аномалію.
Що буде далі та чого очікувати від колайдера
Наступним кроком стане збільшення обсягу даних. Чим більше зіткнень аналізують дослідники, тим точніше вони визначають частоту рідкісних розпадів. Якщо відхилення спричинене випадковістю, воно з часом має послабитися або зникнути. Якщо ж за ним стоїть невідомий фізичний механізм, додаткові вимірювання можуть посилити сигнал.
Науковці також порівнюватимуть результати різних детекторів і експериментальних груп. Незалежне підтвердження особливо важливе, адже воно дає змогу відокремити реальний ефект від технічної особливості конкретного приладу. Паралельно теоретики розроблятимуть моделі, здатні пояснити спостережувані розбіжності без суперечностей з уже відомими даними.
Одним із можливих пояснень може бути існування додаткового бозона, який бере участь у перетвореннях частинок. Інший варіант — нова взаємодія, що по-різному впливає на різні типи матерії. Також не виключено, що ефект пов’язаний із частинками, які майже не взаємодіють зі звичайною речовиною. У такому разі вони могли залишатися непоміченими під час попередніх пошуків.
Якщо експериментальна тенденція підтвердиться, наслідки будуть дуже значними. Фізикам доведеться розширити Стандартну модель або створити глибшу теорію, яка включатиме нові частинки та сили. Це може допомогти пояснити не лише поведінку матерії в колайдері, а й загадки Всесвіту, пов’язані з темною матерією, еволюцією галактик і походженням космічної структури.
Поки що коректніше говорити про перспективний сигнал, а не про остаточне відкриття. Проте саме такі результати часто стимулюють розвиток науки. Великий адронний колайдер дає змогу перевіряти фундаментальні закони в умовах надзвичайно високих енергій, відтворюючи процеси, які могли відбуватися на ранніх етапах існування Всесвіту. Якщо нинішня аномалія виявиться реальною, вона може стати першою ознакою нової частинки або сили, що змінить уявлення людства про будову матерії.