Znaki "nove fizike" so se pojavili v dveh večjih poskusih. Hadron Collider Tevatron je zabeležil delce tam, kjer jih ne bi smeli, in vesoljski eksperiment PAMELA je našel sledi razpada delcev temne snovi. Obe dejstvi se dobro ujemata s teorijo, da obstaja "temna sila"
Medtem ko se Veliki hadronski trkalnik (LHC) pripravlja na popravila po večji septembrski nesreči, je ameriški Tevatron, ki je zadnje mesece preživel kot najmočnejši pospeševalec na planetu, fizikom predstavil nepričakovano presenečenje. Konec prejšnjega tedna so sodelavci CDF, ki delajo na velikanskem istoimenskem detektorju delcev Tevatron, objavili predznak, v katerem so opisali nekaj, kar presega skoraj sveti standardni model osnovnih delcev za fizike.
Če se izkaže, da ta signal ne bo upošteval učinka ozadja, bo to odkritje prvi zemeljski dokaz o omejitvah standardnega modela.
Kopenski v smislu, da astrofiziki že dolgo poznajo temno snov in temno energijo, ki se prav tako ne ujemajo s standardnim modelom. Res je, o lastnostih delcev, ki sestavljajo temno snov, praktično nič ni znano.
Tevatron in dodatni muoni
Z detektorjem CDF fiziki preučujejo delce, ki nastanejo ob trčenju protonov - pozitivno nabitih delcev, ki sestavljajo vsa atomska jedra, in antiprotonov - njihovih negativno nabitih antipod. V tevatronskem pospeševalniku, kot že ime pove, so ti delci pospešeni do energije skoraj 1 TeV, ali 1000 GeV - tisoč milijard elektronov, volumna trka pa je skoraj 2000 GeV, kar omogoča ustvarjanje raznolikih, tudi zelo masivnih elementarni delci.
Vendar pa ni mogoče preprosto popraviti obstoja večine zanimivih delcev. Praviloma so nestabilni in se v drobnem deležu sekunde spremenijo v več lažjih delcev. Lastnosti produktov razpada meri merilnik, fiziki pa nato v skladu z dobro znano metaforo "poskušajo obnoviti strukturo urnega kazalca, tako da pregledajo drobce urnih zobnikov, ki so trčili pri skoraj svetlobni hitrosti."
Eno najbolj priljubljenih "zobnikov" te vrste je muon. Muoni so po svojih lastnostih zelo podobni navadnim elektronom, ki krožijo v atomskih jedrih. Vendar so muoni veliko bolj masivni, zato so še posebej pomembni za eksperimentalne fizike. Prvič, težje jih je "zavajati", ko naletijo na protone in elektrone detektorja, in drugič, v samih trkih se jih rodi manj, zato je lažje razstaviti njihove sledi v detektorju, kot pa vpletene proge številnih elektronov.
Eden od delcev, ki smo ga aktivno preučevali s pomočjo mionov, je tako imenovani B-mezon, ki vključuje težek b-kvark (ali antikvark).
In tu so muoni dolgo eksperimentalce vodili za nos.
Teorija strukture in medsebojnega delovanja kvarkov - kvantna kromodinamika - vam omogoča izračunavanje verjetnosti nastanka B-mezonov in njihove udeležbe v različnih interakcijah. Zato je mogoče oceniti število mionov, ki se bodo rodili med razpadom teh delcev. Vendar pa so v poskusu izdelali veliko več muonov, kot so načrtovali. Poleg tega je še ena metoda merjenja lastnosti B-mezonov pokazala rezultate, ki se bolje in bolj ujemajo s teorijo. Tako so imeli eksperimentatorji vse manj razlogov, da bi teoretike obtožili, da ne znajo računati (in izračuni v kvantni kromodinamiki so izredno težki).
Razlog za ta neskladja je dolgo ostal skrivnost, dokler znanstveniki niso ugotovili, da nekateri muoni, ki so jih fiziki dolgo jemali za produkte razpada B-mezonov, v resnici nimajo ničesar. Dejstvo je, da B-mezon živi zelo kratek čas in, ko se je rodil v trčenju protonov in antiprotonov, mu uspe leteti z osi vakuumske cevi, kjer potekajo trki, le za 1–2 mm. Tu razpade v mione. Ko so znanstveniki ugotovili, kje so shranjeni muoni, ki jih je zapisal njihov detektor, je bil problem B-mezonov rešen: kot se je izkazalo, so nekateri nastali veliko dlje od osi, prispevek teh "dodatnih mionov" k končnemu rezultatu pa je natančno pojasnil neskladje s teorijo.
Toda od kod prihajajo tisti "dodatni" muoni?
Nekateri izvirajo na 3 mm od osi, na petih in sedmih; nekateri so povsem zunaj vakuumske cevi, ki se res ne prilega nobeni vratnici.
Načet fizični "občutek" je povezan s temi delci. Ta beseda, redka za vestno znanost, dejansko najbolje opisuje navdušenje teoretikov in eksperimentatorjev. Razprave o resničnosti signalov, ki jih je našel sodelovanje pri CDF, že divjajo na strokovnih blogih fizikov, na spletni strani elektronskih predtiskov na Univerzi Cornell pa se vse več teoretičnih razlag za to, kar so videli, pojavlja že tretji dan zapored.
Novi delci?
Načeloma lahko obstaja veliko različnih razlogov za pojav nepotrebnih ali, kot pravijo fiziki "delcev v ozadju", večina članka v sodelovanju s CDF pa je namenjena analizi možnih razlogov za pojav signala, ki "novi fiziki" ne ustreza standardom modelov. Mogoče nismo upoštevali nekaterih drugih delcev, iz katerih se rodijo mioni - na primer kozmični žarki, ali pa za munce vzamemo druge produkte razpada delcev, proizvedenih v Tevatronu? In končno, morda signali v samem detektorju, ki jih jemljemo za sledmi mun, niso taki - hrup, statistična nihanja, artefakti besnih metod matematične obdelave eksperimentalnih rezultatov?
Promocijski video:
Po mnenju avtorjev zadnjega dela niso uspeli najti "standardne" razlage.
Treba je opozoriti, da je skoraj tretjina sodelovanja - približno 200 od 600 ljudi - zavrnila svoje podpise na članek, ki je bil skoraj šest mesecev pod "notranjo revizijo". Do…
Vse je videti, kot da jim je uspelo najti znake obstoja nekega novega delca, ki živi precej dlje kot B-mezon in nima fizike, ki jo poznamo. Vendar se znanstveniki še vedno vzdržujejo tako neposredne trditve: izkušnje cele generacije fizikov, ki so se vedno znova prepričale o uporabnosti standardnega modela za na videz popolnoma nerazložljive pojave, se počutijo dobro. Toda nemogoče je preprosto prezreti skoraj 100 tisoč dogodkov, ki jih je zabeležil eden najboljših instrumentov še vedno najmočnejšega pospeševalnika na Zemlji.
Lastnosti "dodatnih" mionov so neverjetne same po sebi. Eno najbolj presenetljivih je, da so se zelo pogosto rodili v "škatlah" - ne en delček naenkrat, ampak dva, tri, celo osem naenkrat. Poleg tega s točke, na kateri so se rodili, praviloma ne letijo v vse smeri, ampak v približno isto smer - znanstveniki celo uporabljajo izraz "muon jet". In značilna energija novega neznanega delca - če resnično obstaja - je več GeV. Z drugimi besedami, "nova fizika" - če jo resnično začnemo razlikovati v meonski megli - se začne pri energijah ne v tisočih GeV, kamor so usmerjene pošasti, kot je LHC, ampak mnogo prej.
Te lastnosti presenetljivo približajo rezultate zemeljskega pospeševalnika s podatki, objavljenimi le nekaj dni prej iz vesoljskega detektorja delcev PAMELA.
Frakcija pozitrona kot funkcija energije // PAMELA Group, arXiv.org
Rezultati eksperimenta PAMELA
Mednarodno raziskovalno vozilo PAMELA na krovu ruskega umetnega satelita "Resurs-DK1" je zanesljivo zabeležilo presežek visokoenergetskih pozitronov v toku napolnjenega prostora …
Po mnenju številnih astrofizikov presežek visokoenergijskih pozitronov (anti delcev proti elektronom) v kozmičnih žarkih izhaja iz razpada ali uničevanja delcev skrivnostne temne snovi. To je še en element fizike izven standardnega modela, katerega obstoj (in celo prevlado v masi) astronomi že dolgo poznajo, vendar ne morejo reči ničesar vrednega: zato je temna snov, da ni vidna in njena prisotnost oddaja le s pomočjo gravitacije.
Temna moč
Kot se je izkazalo, četverica teoretikov iz Princetona, Harvarda in New Yorka že ima razlago rezultatov PAMELA, ki je bila v pomoč novim podatkom iz Tevatrona. Po besedah Nima Arkanihameda in njegovih sodelavcev je v okviru njihovega superzimetričnega modela pridobljena enotna in naravna razlaga za presežek pozitronov, ki jih zanesljivo izmeri aparat PAMELA, komaj opazen presežek gama žarkov, ki prihaja na videz od nikoder, in meglen sij središča galaksije v gami in radijski žarki, ki so jih zabeležili drugi astrofizični sateliti.
V skladu z modelom imajo delci temne snovi maso približno 1000 GeV in ne sodelujejo v interakcijah, ki jih poznamo. Vendar delujejo drug na drugega s pomočjo "temne" sile kratkega dosega, ki jo nosi drug temen delec z maso približno 1 GeV. Z drugimi besedami, trem običajnim vrstam interakcij, ki delujejo samo na navadno snov (elektromagnetno in jedrsko, šibko in močno), je dodana še ena, ki deluje samo v svetu temne snovi. Gravitacija, kot običajno, stoji narazen, ki povezuje oba sveta.
Teoretiki so potrebovali "temno" silo, da so delce temne snovi povezali v nekakšne "atome", v katerih ima eden od temnih delcev negativen "temni naboj", drugi pa pozitiven "temni naboj". Samo tvorba "atomov" omogoča temni snovi, da se dovolj intenzivno uniči, da pojasni rezultate astrofizičnih opazovanj (to je tako imenovani Sommerfeldov mehanizem).
Vendar delček, ki nosi "temno" silo, lahko že razpade neposredno z oddajanjem navadnih delcev in prav ta delček je po Arkanihamedu in njegovih sodelavcih lahko odgovoren za pojav "dodatnih" mionov.
Poleg tega razpad temnih delcev, napolnjenih s temnim nabojem, seveda poteka v kaskadi, dokler ne zadene najlažjega stabilnega temnega delca, ki se ne more razkrojiti. Vsak korak te kaskade vključuje delce - nosilec temne sile, zato se lahko na vsakem koraku pojavi dodatni muon. Toliko o muncih v "škatlah". No, dejstvo, da vsi letijo v isto smer, je preprosto posledica dejstva, da se razpadajoči delci hitro premikajo - zato naboji prazničnih ognjemetov, ki eksplodirajo, preden dosežejo najvišjo točko svoje poti, vržejo cel vodnjak svetle luči naprej. Toliko o "curku".
Vendar bo objavljanje podatkov s sodelovanjem CDF in PAMELA nedvomno pripeljalo do več deset, če ne celo sto možnih razlag v naslednjih mesecih. Torej morda ne bi bilo vredno podrobneje obravnavati modela Arkanihameda. Zaenkrat jo odlikuje le to, da se je ob razlagi teh in drugih podatkov izkazala na sodišču.
Seveda je možno, da bosta oba eksperimentalna rezultata dobila več trivialnih razlag. "Dodatni muoni" se lahko izkažejo kot nič drugega kot nepomemben instrumentalni učinek velikanske instalacije CDF, v bližini nevtronskih zvezd v naši Galaksiji pa se lahko ustvarijo "dodatni pozitroni".
A obeti so zanimivi. V svetu temne snovi, ki se je do nedavnega zdel brezformna motnost, za katero astronomi skrivajo svoje nerazumevanje strukture sveta, se je začela pojavljati struktura - nekatere interakcije, "temni naboji", "temni atomi". Mogoče fizike še ni konec in nove generacije znanstvenikov bodo imele kaj za študij v "temnem svetu".
