Tegn på en "ny fysik" dukkede op i to store eksperimenter. Tevatron Hadron Collider registrerede partikler, hvor de ikke skulle være, og PAMELA-rumforsøget fandt spor efter henfaldet af partikler med mørkt stof. Begge fakta passer godt ind i teorien om, at den "mørke kraft" eksisterer
Mens Large Hadron Collider (LHC) forbereder sig på reparationer efter en større ulykke i september, har den amerikanske Tevatron, der har overlevet de sidste måneder som den mest kraftfulde accelerator på planeten, præsenteret fysikere en uventet overraskelse. I slutningen af sidste uge offentliggjorde samarbejdspartnere i CDF-samarbejdet, der arbejdede med den kæmpe Tevatron-partikeldetektor med samme navn, en fortryk, der beskrev noget, der går ud over den næsten hellige standardmodel af elementære partikler til fysikere.
Hvis dette signal viser sig ikke at være uberettiget for baggrundseffekt, vil denne opdagelse være det første jordiske bevis for begrænsningerne i standardmodellen.
Terrestrisk i den forstand, at astrofysikere længe har kendt mørkt stof og mørk energi, som heller ikke passer ind i standardmodellen. Det er sandt, at der praktisk taget ikke vides noget om egenskaberne ved de partikler, der udgør mørkt stof.
Tevatron og ekstra muoner
Med CDF-detektoren studerer fysikere partiklerne produceret ved kollision af protoner - positivt ladede partikler, der udgør alle atomkerner, og antiprotoner - deres negativt ladede antipoder. I Tevatron-acceleratoren, som navnet antyder, accelereres disse partikler til energier på næsten 1 TeV, eller 1000 GeV - tusind milliarder elektron volt, og kollisionsenergien er følgelig næsten 2000 GeV, hvilket gør det muligt at producere en række, endog meget massive elementære partikler.
Det er imidlertid ikke engang muligt blot at rette op på eksistensen af de fleste af partiklerne af interesse. Som regel er de ustabile og omdannes til flere lettere partikler i en lille brøkdel af et sekund. Det er egenskaberne ved henfaldsprodukterne, som detektoren måler, og fysikere derefter i overensstemmelse med den velkendte metafor "prøver at gendanne urværket ved at undersøge fragmenterne af urhjul, der kolliderede ved næsten lyshastighed."
Et af de mest populære "gear" af denne art er muon. Med hensyn til deres egenskaber ligner muoner meget almindelige elektroner, der kredser om atomkerner. Muoner er imidlertid meget mere massive og er derfor af særlig værdi for eksperimentelle fysikere. For det første er det vanskeligere at "vildlede" dem, når de støder på protonerne og elektronerne i detektoren, og for det andet, i selve kollisionerne, fødes færre af dem, og det er lettere at identificere deres spor i detektoren end de sammenfiltrede baner med adskillige elektroner.
En af de partikler, der er blevet aktivt undersøgt ved hjælp af muoner, er den såkaldte B-meson, der inkluderer et tungt b-kvark (eller antikark).
Og her førte muoner i lang tid eksperimenterne ved næsen.
Teorien om opbygning og interaktion af kvarker - kvante kromodynamik - giver dig mulighed for at beregne sandsynligheden for produktion af B-mesoner og deres deltagelse i forskellige interaktioner. Det er derfor muligt at estimere antallet af muoner, der vil blive født under henfaldet af disse partikler. Imidlertid blev der i eksperimentet produceret meget mere muoner end planlagt. Desuden viste en anden metode til måling af egenskaber ved B-mesoner resultater, der er i bedre og bedre overensstemmelse med teorien. Så eksperimenterne havde mindre og mindre grund til at beskylde teoretikere for ikke at vide, hvordan de skulle tælle (og beregninger i kvante kromodynamik er ekstremt vanskelige).
Årsagen til disse uoverensstemmelser forblev et mysterium i lang tid, indtil forskere fandt ud af, at nogle af muonerne, som fysikere i lang tid tog for B-mesons forfaldsprodukter, faktisk ikke havde noget at gøre med dem. Faktum er, at B-meson lever i meget kort tid, og efter at være født i kollisionen med protoner og antiprotoner, formår han at flyve væk fra vakuumrørets akse, hvor kollisionerne forekommer, kun med 1-2 mm. Her nedbrydes det til muoner. Da forskere regnede ud hvor de muoner, som deres detektor opdagede, blev problemet med B-mesoner løst: som det viste sig, opstod nogle af dem meget længere fra aksen, og bidraget fra disse "ekstra muoner" til det endelige resultat forklarede nøjagtigt uoverensstemmelsen med teorien.
Men hvor kommer de "ekstra" muoner fra?
Nogle af dem stammer 3 mm fra aksen, ved fem og ved syv; nogle er helt uden for vakuumrøret, som virkelig ikke passer ind i nogen port.
Den begynnende fysiske "fornemmelse" er forbundet med disse partikler. Dette ord, sjældent for ærværdig videnskab, karakteriserer faktisk spændingen hos teoretikere og eksperimenter på den bedst mulige måde. Diskussioner om virkeligheden af de signaler, der blev fundet ved CDF-samarbejdet, raser allerede på fysikernes professionelle blogs, og på webstedet for elektroniske fortryk på Cornell University for tredje dag i træk kommer flere og flere teoretiske forklaringer på, hvad de så.
Nye partikler?
I princippet kan der være en lang række årsager til udseendet af unødvendige eller, som fysikere siger, "baggrund" -partikler, og det meste af artiklen fra CDF-samarbejdet er afsat til analyse af mulige årsager til udseendet af et signal, der ikke appellerer til den "nye fysik" ud over standarden modeller. Måske tog vi ikke hensyn til nogle andre partikler, hvorfra muoner er født - for eksempel kosmiske stråler, eller måske tager vi andre henfaldsprodukter af partikler, der er født i Tevatronen til muoner? Endelig er måske signalerne i selve detektoren, som vi tager for spor af muoner, ikke sådan - støj, statistiske udsving, artefakter af rasende metoder til matematisk behandling af eksperimentelle resultater?
Salgsfremmende video:
Ifølge forfatterne af det sidste værk, kunne de ikke finde en "standard" forklaring.
Det skal bemærkes, at næsten en tredjedel af samarbejdet - omkring 200 ud af 600 mennesker - nægtede at lægge deres underskrifter på artiklen, der havde gennemgået en "intern revision" i næsten seks måneder. Ved…
Alt ser ud som om det lykkedes dem at finde tegn på eksistensen af en ny partikel, der lever meget længere end B-meson, og det har ingen plads i den fysik, vi kender. Imidlertid afstår forskere stadig fra en sådan direkte erklæring: erfaringerne fra en hel generation af fysikere, der igen og igen overbevist om anvendelsen af standardmodellen på tilsyneladende fuldstændig uforklarlige fænomener, melder sig. Men det er umuligt at blot ignorere næsten 100 tusind begivenheder, der er optaget af et af de bedste instrumenter i den stadig mest kraftfulde accelerator på Jorden.
Egenskaber ved "ekstra" muoner er fantastiske i sig selv. En af de mest slående er, at de meget ofte blev født i "pakker" - ikke en partikel ad gangen, men to, tre, endda otte ad gangen. Derudover flyvede de som regel ikke fra det tidspunkt, hvor de blev født, ud i alle retninger, men i omtrent samme retning - forskere bruger endda udtrykket "muon jet". Og den karakteristiske energi ved en ny ukendt partikel - hvis den virkelig findes - er flere GeV. Med andre ord, den "nye fysik" - hvis vi virkelig begynder at skelne den i muon-tågen - begynder ved energier ikke i de tusinder af GeV, mod hvilke monstre som LHC er rettet, men meget tidligere.
Og disse egenskaber tiltrækker påfallende resultaterne fra den jordbaserede accelerator med de data, der blev offentliggjort blot et par dage tidligere fra rumantipartikeldetektoren PAMELA.
Positronfraktion som en funktion af energi // PAMELA Group, arXiv.org
Resultater af PAMELA-eksperimentet Det
internationale forskningskøretøj PAMELA om bord på den russiske kunstige satellit "Resurs-DK1" registrerede pålideligt et overskud af højenergipositroner i strømmen af ladet rum …
Ifølge mange astrofysikere opstår overskydningen af højenergipositroner (antipartikler til elektroner) i kosmiske stråler fra henfald eller udslettelse af partikler af mystisk mørkt stof. Dette er et andet fysisk element ud over standardmodellen, hvis eksistens (og endda dominans af masse) astronomer længe har kendt, men kan ikke sige noget værd: det er derfor, det er mørkt stof, at det ikke er synligt, og dets tilstedeværelse kun giver ud gennem tyngdekraften.
Dark Power
Da det viste sig, har kvartetten af teoretikere fra Princeton, Harvard og New York allerede en forklaring af PAMELA-resultaterne, som kom godt med de nye data fra Tevatron. Ifølge Nima Arkanihamed og hans kolleger opnås inden for rammerne af deres supersymmetriske model en samlet og naturlig forklaring på overskuddet af positroner, der pålideligt måles ved hjælp af PAMELA-apparatet, et knap tydeligt overskud af gammastråler, der tilsyneladende kommer fra intetsteds, og den tåge glød fra midten af galaksen i gamma og radiostråler optaget af andre astrofysiske satellitter.
I overensstemmelse med modellen har partikler af mørkt stof en masse på ca. 1000 GeV og deltager ikke i de interaktioner, vi kender. De virker imidlertid på hinanden ved hjælp af en "mørk" kraft med kort rækkevidde, som bæres af en anden mørk partikel med en masse på ca. 1 GeV. Med andre ord, til de tre sædvanlige interaktionsformer, der kun fungerer på almindeligt stof (elektromagnetisk og nuklear, svag og stærk), tilføjes en mere, der kun fungerer i en verden af mørkt stof. Tyngdekraften adskiller sig som sædvanligvis fra hinanden og forbinder begge verdener.
Teoretikere havde brug for den "mørke" kraft til at binde partiklerne i mørke stoffer i en slags "atomer", hvor den ene af de mørke partikler har en negativ "mørk ladning", og den anden har en positiv "mørk ladning". Kun dannelsen af "atomer" gør det muligt for mørkt stof at udslette intensivt nok til at forklare resultaterne af astrofysiske observationer (dette er den såkaldte Sommerfeld-mekanisme).
Imidlertid kan den partikel, der bærer den "mørke" kraft, allerede henfalde direkte med emissionen af almindelige partikler, og det er denne partikel, ifølge Arkanihamed og hans kolleger, der kan være ansvarlig for udseendet af "ekstra" muoner.
Desuden fortsætter henfaldet af mørke partikler, der er ladet med en mørk ladning, naturligvis i en kaskade, indtil den rammer den letteste stabile mørke partikel, som ikke har noget at forfalde ind i. Hvert trin i denne kaskade involverer en partikel - en bærer af mørk kraft, og derfor kan en ekstra muon vises på hvert trin. Så meget for muoner i "pakker". Det faktum, at de alle flyver ud i samme retning, skyldes simpelthen det faktum, at den forfaldne partikel bevæger sig hurtigt - så ladningerne om det festlige fyrværkeri, der eksploderer inden de når det højeste punkt på deres bane, kaster hele springvand med lyse lys frem. Så meget for "jet".
Imidlertid vil offentliggørelsen af data fra CDF- og PAMELA-samarbejdet utvivlsomt føre til fremkomsten af snesevis, hvis ikke hundreder, af mulige forklaringer i de kommende måneder. Så det er måske ikke værd at dvæle ved Arkaniameds model. Hidtil er hun kun kendetegnet ved det faktum, at hun var ved domstolen, da hun fortolker både disse og andre data.
Naturligvis er det muligt, at begge eksperimentelle resultater får mere trivielle forklaringer. "Ekstra muoner" kan vise sig at være andet end en ikke-beretning for instrumental effekt af den gigantiske CDF-installation, og "ekstra positroner" kan genereres i nærheden af neutronstjerner i vores Galaxy.
Men udsigterne er spændende. I en verden af mørkt stof, der indtil for nylig virket som en formløs uklarhed bag hvilke astronomer skjuler deres misforståelse af verdens struktur, begyndte en struktur at opstå - en slags interaktion, "mørke ladninger", "mørke atomer". Måske er fysik ikke forbi, og nye generationer af videnskabsmænd vil have noget at studere i den "mørke verden".
