Forskere, der arbejder i CMS-samarbejdet, rapporterede den sandsynlige opdagelse af en ukendt partikel, der henfaldt til muoner med en samlet masse på 28 GeV. I øjeblikket forudsiger ingen teoretisk model eksistensen af denne partikel, men forskere håber, at denne afvigelse ikke er resultatet af en statistisk fejl. Observationsfortrykket er tilgængeligt i arkivet arXiv.org. Vi vil fortælle dig detaljeret om undersøgelsen, der kan vise sig at være både et gennembrudsopdagelse og en anden puff.
Helvede spole
Compact Muon Solenoid, eller CMS (Compact Muon Solenoid), er en stor partikeldetektor placeret ved Large Hadron Collider (LHC). Denne gigantiske enhed med en diameter på 15 meter og en vægt på 15 tusind tons er designet til at søge efter ny fysik - fysik ud over standardmodellen. Hvis standardmodellen beskriver egenskaberne ved alle kendte elementære partikler (og nogle er endnu ikke blevet bekræftet), prøver hypoteser inden for rammerne af New Physics at forklare forskellige fænomener, som stadig er et mysterium for forskere.
I henhold til en af hypotesen - supersymmetri - svarer hver kendt elementær partikel til en superpartner med en tungere masse. For eksempel er partneren til elektronet, som er fermion, selektronbosonen, og partneren til gluon (som er boson) er gluino fermion. Manglen på resultater til bekræftelse af supersymmetri har imidlertid ført til, at denne model er forladt af flere og flere forskere.
Proton-proton-kollisioner finder sted inde i detektoren. Hver proton består af tre kvarker, der holdes sammen af gluonfeltet. Ved en høj hastighed, der kan sammenlignes med lysets hastighed, bliver gluonfeltet til en "suppe" af partikler - gluoner. I en front-on-kollision af protoner interagerer kun et par kvarker eller gluoner med hinanden, resten af partiklerne flyver uhindret. Reaktioner finder sted, der producerer mange kortvarige partikler, og forskellige CMS-detektorer registrerer deres henfaldsprodukter, inklusive muoner. Muoner ligner elektroner, men 200 gange mere massive.
Ved hjælp af detektorer placeret uden for solenoiden er videnskabsmænd i stand til at spore banernes baner med høj nøjagtighed og bestemme, hvad der nøjagtigt har forårsaget udseendet af en bestemt partikel. Et stort antal proton-proton-kollisioner er påkrævet for at øge chancerne for at producere en sjælden partikel, der desintegrerer til muoner. Dette genererer en astronomisk mængde data (ca. 40 terabyte pr. Sekund), og for hurtigt at finde noget usædvanligt i dem bruges et specielt trigger-system, der bestemmer, hvilke oplysninger der skal registreres.
Salgsfremmende video:
Spøgelset inde
CMS sammen med ATLAS-detektoren, der også var placeret ved LHC, blev brugt til at søge efter Higgs-boson forudsagt af standardmodellen. Denne partikel er ansvarlig for massen af W- og Z-bosoner (bærere af den svage interaktion) og manglen på masse i foton og gluon. I 2012 blev Higgs-bosonen med en masse på 125 GeV opdaget. Imidlertid mener forskere, at der kan være andre Higgs-bosoner med lavere masse uden for standardmodellen. De er forudsagt af to-dublet Higgs-modellen og NMSSM (næste-til-minimal supersymmetrisk standardmodel). På trods af alle de eksperimentelle tests har videnskabsmænd stadig ikke været i stand til at bevise eller modbevise disse hypoteser.
Forskere ved CMS er på udkig efter andre lette eksotiske partikler. Disse inkluderer for eksempel mørke fotoner - bærere af en helt ny grundlæggende interaktion, der minder om det elektromagnetiske, og som er analoge med fotoner til mørkt stof. En anden hypotetisk partikel er den mørke analog af Z-boson.
Fysikere har udført et eksperiment for at finde bevis for eksistensen af en lys boson, der udsendes af et par smukke kvarker (b-kvarker) og nedbrydes til en muon og en anti-muon. Under eksperimentet i proton-proton-kollisioner ved en energi i midten af massesystemet (et system, hvor partikler har lige og modsat rettet moment) lig med 8 TeV, blev der registreret et antal begivenheder, der sandsynligvis er forbundet med en hypotetisk boson.
Den første type begivenheder inkluderer udseendet af en jet af b-quarks i midten af detektoren og dens forreste del, og den anden - udseendet af to jetfly i midten og ikke en enkelt jet i den forreste del. I begge tilfælde blev der set et overskud af de nye par af muoner, og massen af parene, som vist ved efterfølgende analyse, nåede 28 GeV. Forskellen i antallet af muonpar fra baggrundsværdier for begivenheder af den første art er 4,2 standardafvigelser (sigma), og for begivenheder af den anden art er det 2,9 sigma.
Død af fysik
I partikelfysik indikerer en fem sigma-forskel på en vis eksistens af en anomali, der ikke kunne have opstået ved en tilfældighed. Hvis forskellen imidlertid ligger i 3-5 sigma-området, siger fysikere, at dette kun angiver eksistensen af en ny partikel. I sidstnævnte tilfælde er det nødvendigt at få langt flere data for at bekræfte (eller tilbagevise) resultatet for at udelukke fejl i databehandling og fortolkning. Hvis alt er bekræftet, kan vi sige, at muoner opstår på grund af henfaldet af en partikel af den nye fysik.
Dette er ikke første gang, at der er observeret et fænomen ved LHC, der ikke passer ind i standardmodellen. I 2016 annoncerede fysikere opdagelsen af tegn på eksistensen af en resonans svarende til en massiv kortvarig partikel. Det blev registreret i 2015 som et overskud af par fotoner med en samlet masse på 750 GeV, hvori denne partikel angiveligt nedbrydes. Med andre ord, denne partikel burde have været seks gange mere massiv end Higgs boson. Analyse af data indsamlet hos collideren senere bekræftede imidlertid ikke dette resultat.
Indtil nu har fysikere ikke fundet nogen pålidelige spor af eksistensen af ny fysik. Der er dog ingen tvivl om, at den skulle eksistere, fordi standardmodellen ikke er i stand til at forklare sådanne fænomener som problemet med hierarkiet af fermionmasser (en hypotetisk Goldstone-boson introduceres for at løse den), eksistensen af masse i neutrinoer, asymmetrien af stof og antimaterie, oprindelsen af mørk energi og andre. Selve tilstedeværelsen af mørkt stof i universet forudsætter en hel klasse af hypotetiske partikler med eksotiske egenskaber, der udgør det. Paradoksalt nok er alt, hvad forskere har kunnet gøre indtil videre, at eksperimentelt bekræfte den udmattede standardmodel.
Nogle forskere foreslår, at hvis det er muligt at bevise den nye fysik, så skal dette ske inden for den nærmeste fremtid inden for de næste par år. Ellers vil det være muligt at alvorligt frygte, at menneskeheden ikke længere vil være i stand til at gøre betydelige opdagelser. Det er opmuntrende, at der er fundet flere og flere afvigelser på acceleratorer for nylig, hvilket antyder, at forskere er på randen af noget helt nyt.
Alexander Enikeev
