Ускорители находят частицы, способные нарушить известные законы физики

В результате экспериментов на БАК и Belle удалось обнаружить закономерности распада частиц, которые противоречат Стандартной модели физики элементарных частиц.

На самых маленьких весах все во вселенной можно разделить на мельчайшие кусочки, называемые элементарными частицами. Стандартная модель физики элементарных частиц, ставшая господствующей теорией этих кусочков, описывает небольшую коллекцию известных видов, которые комбинируются миллионами способов, образуя окружающую нас материю и неся в себе силы природы. Однако физикам известно, что это не все, что такими частицами невозможно объяснить темную материю и темную энергию, на которые, например, приходится значительная часть массы вселенной. Сейчас в результате двух экспериментов ученым удалось найти частицы, которые ведут себя с нарушением всех известных законов физики, что может указывать на существование частицы какого-то нового типа, нам не известной. Результаты пока еще не подтверждены в полной мере; однако то обстоятельство, что два эксперимента по столкновению разных типов частиц дали одинаковый эффект, и что намеки на такое поведение частиц были обнаружены в 2012 году на третьем коллайдере, вызвали оживление в мире физики. «Это действительно странно, — говорит теоретический физик Марк Уайз (Mark Wise), работающий в Калифорнийском институте технологий и не участвовавший в этих экспериментах. — Несоответствие велико, и похоже, что все здесь очень основательно. Пожалуй, это самое сильное, самое серьезное отклонение от Стандартной модели». Найти такую трещину в Стандартной модели чрезвычайно интересно, так как это дает возможность расширить границы модели, выведя ее за рамки известных на сегодня частиц.

Эти неожиданные результаты дал эксперимент, проведенный с помощью детектора LHCb на Большом адронном коллайдере (БАК) в Швейцарии, и эксперимент Belle, проведенный в Исследовательской организации ускорителей высокой энергии (KEK) в Японии. В ходе обоих экспериментов удалось обнаружить избыток некоторых видов лептонов по сравнению с другими видами, когда частицы В-мезоны (состоящие из нижнего кварка и антикварка) распадаются. Лептон — такая категория частиц, куда входят электроны, а также их более тяжелые собратья мюоны и тау. Принцип Стандартной модели, известный как лептонная универсальность гласит, что все лептоны в одинаковой степени подвержены воздействию слабых фундаментальных сил, отвечающих за радиоактивный распад. Но когда в ходе экспериментов было обнаружено большое количество распадов В-мезона, по идее производящих одинаковое количество электронов, мюонов и тау среди своих конечных продуктов (после учета разных масс частиц), то оказалось, что тау при распаде появляется больше.

Столкновение атомов

БАК сталкивает протоны с протонами, в то время как ускоритель Belle ударяет электроны о позитроны, являющиеся их античастицами. Однако в результате таких столкновений образуются В-мезоны, что дает возможность в обоих случаях измерять конечные продукты при распаде нестабильных мезонов. В работе, опубликованной в номере Physical Review Letters за 11 сентября, ученые из команды LHCb объявили о том, что они заметили возможный избыток тау, которых оказалось на 25-30% больше показателя, предсказываемого Стандартной моделью. Коллектив Belle отметил такой же, хотя и не столь ярко выраженный эффект, проанализировав данные из работы в Physical Review D. Оба коллектива поделились своими выводами и открытиями в мае 2015 года на конференции в японском городе Нагойя.

Интересно то, что данные результаты вполне согласуются с более ранними открытиями, сделанными в 2012 году (в 2013-м выводы были расширены). Это был эксперимент BaBar, проведенный в Национальной ускорительной лаборатории SLAC, что в Менло-Парк, штат Калифорния. «Сами по себе результаты Belle и результаты LHCb не отличаются значительно от Стандартной модели, — говорит представитель Belle Том Браудер (Tom Browder) из Гавайского университета. — Вместе с BaBar мы можем вывести среднемировой результат — это отклонение от Стандартной модели со значением 3.9 sigma». Sigma является стандартным отклонением, вычисляемым статистически, а обычный среди физиков порог, позволяющий говорить об открытии, равен 5 sigma. Хотя отклонение в 3.9 sigma до открытия не дотягивает, оно указывает на то, что шанс случайности здесь равен всего 0,011 процента. «Сейчас у нас есть три предположительных, но пока не очень убедительных указания на чрезвычайно интересный эффект, — говорит физик Золтан Лигети (Zoltan Ligeti) из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли, не принимавший участия в этих экспериментах. — Окончательный ответ мы получим через несколько лет, когда в ходе экспериментов накопим больше данных».

Если несоответствие реальное, а не какая-то статистическая случайность, ученым придется решать трудную задачу — им предстоит понять, что все это значит. «Этот эффект оказался весьма неожиданным для большинства физиков, — говорит Лигети. — Его будет непросто подогнать под самые популярные модели. В этом смысле он стал большой неожиданностью».

Например, любимое чадо выходящей за рамки Стандартной модели так называемой «новой физики» — суперсимметрия — обычно не предсказывает такого рода эффект. Согласно этой гипотезе, существует множество неоткрытых частиц, являющихся зеркальным отражением тех, которые уже известны. Но ни одна из этих предсказанных частиц не нарушает принцип лептонной универсальности. «Думаю, сейчас мы не можем утверждать, что это указывает на суперсимметрию, — говорит физик Хассан Джейуоэри (Hassan Jawahery) из Мерилендского университета, сотрудничающий с коллективом LHCb, — однако это вовсе необязательно является нарушением суперсимметрии».

Но если сигнал реален, то здесь наверняка замешана какая-то новая частица. Во всех случаях распада В-мезонов в какой-то момент возникает более тяжелая «виртуальная» частица, которая затем быстро исчезает. Это странное явление, которое допускает квантовая механика. В Стандартной модели этой виртуальной частицей всегда является W-бозон (частица, несущая слабую силу), который одинаково взаимодействует со всеми лептонами. Но если бы такая виртуальная частица была чем-то более экзотическим, что взаимодействует с каждым лептоном по-разному в зависимости от массы, тогда в итоге могло бы возникнуть больше тау, потому что тау — самые тяжелые лептоны (а поэтому они могли бы активнее взаимодействовать с такой виртуальной частицей).

Новый бозон Хиггса или лептокварк?

Один из вероятных кандидатов на звание такой виртуальной частицы — это новый тип бозона Хиггса, который тяжелее частицы, с большим шумом открытой в 2012 году на БАК. Считается, что известный бозон Хиггса придает всем частицам их массу. Новый бозон Хиггса не только тяжелее уже известной частицы — у него должны быть иные свойства. Например, он должен воздействовать на распад В-мезонов, у него должен быть электромагнитный заряд, в то время как у известного бозона Хиггса такого заряда нет. «Это значит, что обнаруженный нами бозон Хиггса не единственная частица, отвечающая за появление массы у всех частиц», — отмечает Джейуоэри. На самом деле, суперсимметрия предполагает наличие новых бозонов Хиггса в дополнение к тем, которые нам известны. Но в большинстве формулировок этой модели предсказанные частицы Хиггса не создают такие большие отклонения, какие были показаны в ходе экспериментов.

Другой вариант — существование еще более экзотической гипотетической частицы под названием лептокварк, которая является сочетанием лептона и кварка, и которую никогда не наблюдали в природе. Эта частица тоже должна активнее взаимодействовать с тау, чем с мюоном и электроном. «Лептокварки в определенных типах моделей возникают очень естественно, — говорит Лигети. — Но нет оснований полагать, что они обладают такой малой массой, которая объясняет эти данные. Я думаю, большинство теоретиков сегодня считают данные модели не особенно убедительными».

На самом деле, все те объяснения, которые могут на сегодня представить себе теоретики, имеют определенные недостатки — и не дают ответа на более важные и крупные нерешенные вопросы физики, скажем, на вопрос о том, из чего получается темная материя и темная энергия. «Ничего хорошего в этих моделях нет — их просто состряпали, чтобы объяснить данный факт, чтобы он не противоречил другим фактам, — говорит Уайз. — Но природа будет делать то, что делает, нравится это теоретикам или нет».

Есть незначительный шанс на то, что физики неверно рассчитали прогнозы Стандартной модели, и что господствующие правила все-таки действуют. «Возможно, расчеты Стандартной модели неверны, но последние вычисления не обнаружили здесь каких-то серьезных проблем, — говорит Майкл Роуни (Michael Roney) из канадского Викторианского университета, являющийся официальным представителем эксперимента BaBar. — Возможно также, что в экспериментах упущены некие обычные объяснения, хотя условия в LHCb и BaBar очень сильно отличались. В BaBar мы продолжаем исследовать наши данные разными способами, но эффект все равно присутствует».

Физики с оптимизмом говорят о том, что по мере накопления данных эта загадка будет разгадана. В апреле БАК начал столкновения с большей энергией, и для LHCb это означает появление большего количества В-мезонов и новых возможностей для поиска отклонений. Ученые из группы Belle тем временем планируют усовершенствовать свой эксперимент при помощи нового детектора Belle II, который должен начать сбор данных в 2018 году. Оба коллектива со временем найдут дополнительные данные для подтверждения открытого эффекта, либо же поймут, что это статистическая случайность. «Если этот эффект действительно имеет место, то нас в предстоящие 10 лет ждет огромная работа по его подробному изучению, — говорит Джейуоэри. — Надеюсь, к тому времени мы будем также знать, что это значит».

Клара Московиц (Clara Moskowitz)
(“Scientific American”, США)
Источник