Результаты исследований из Большого Адронного Коллайдера намекают на существование неизвестной силы в природе

В марте Большой Адронный Коллайдер (БАК) вызвал всеобщее волнение, поскольку в ходе исследования элементарных частиц были получены обнадеживающие доказательства существования возможно, новой природной силы. В настоящее время результаты полученные с помощью гигантского коллайдера частиц в ЦЕРНе, которые еще не подверглись экспертной оценке, похоже, еще больше подкрепляют эту теорию.

Стандартная модель

Лучшая на сегодняшний день теория частиц и сил известна как стандартная модель, которая с безошибочной точностью описывает все, что мы знаем о физических элементах, составляющих окружающий нас мир. Стандартная модель, без сомнения, является самой успешной научной теорией из когда-либо существовавших, но в то же время мы знаем, что она несовершенна.

Известно, что она описывает только три из четырех фундаментальных сил — электромагнитные силы, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц, не принимая во внимание гравитацию.

В ней нет объяснения темной материи, которая, как свидетельствует астрономия, доминирует во Вселенной, и она не может объяснить, как материя сохранилась во время Большого взрыва. Поэтому большинство физиков уверены, что космические компоненты еще предстоит обнаружить, и изучение ряда фундаментальных частиц, известных как кварки красоты, является особенно перспективным способом получить подсказки о том, что еще может быть там.

Кварки красоты

Кварки красоты, иногда называемые нижними кварками, являются фундаментальными частицами, которые, в свою очередь, образуют более крупные частицы. Существует шесть видов кварков, которые называются «верхний», «нижний», «странный», «очарованный», «красивый» и «истинный». Верхние и нижние кварки, например, образуют протоны и нейтроны в атомном ядре.

Кварки красоты нестабильны, живут в среднем всего около 1,5 триллионных долей секунды, прежде чем распасться на другие частицы. На способ распада кварков красоты может сильно повлиять существование других фундаментальных частиц или сил. Когда кварк красоты распадается, он превращается в набор более легких частиц, таких как электроны, под воздействием слабой силы. Один из способов, которым новая сила природы может дать о себе знать — это тонкое изменение частоты распада кварков красоты на различные типы частиц.

Ключ в исследовании

Мартовская статья была основана на данных эксперимента LHCb, одного из четырех гигантских детекторов частиц, которые регистрируют результаты сверх высокоэнергетических столкновений, происходящих на БАК. (Буква «b» в LHCb означает «красота»). Было обнаружено, что кварки красоты распадаются на электроны и их более тяжелые родственники, называемые мюонами, с разной скоростью. Это было поразительно, потому что, согласно стандартной модели, мюон является практически углеродной копией электрона — идентичным во всех отношениях, за исключением того, что он примерно в 200 раз тяжелее. Это означает, что все силы должны притягивать электроны и мюоны с одинаковой силой — когда кварк красоты распадается на электроны или мюоны под действием слабых сил, он должен делать это одинаково часто.

Вместо этого ученые обнаружили, что распад мюонов происходит примерно на 85% чаще, чем распад электронов. Если предположить, что результат верен, то объяснить такой эффект можно только тем, что какая-то новая сила природы, которая по-разному притягивает электроны и мюоны, вмешивается в процесс распада кварков красоты.

Результат вызвал огромное волнение среди физиков элементарных частиц. Десятилетиями ученые искали признаки чего-то, выходящего за рамки стандартной модели, и, несмотря на десять лет работы на БАКе, до сих пор не было найдено ничего убедительного. Поэтому открытие новой силы природы было бы огромной удачей и могло бы наконец открыть дверь к ответу на некоторые из самых глубоких загадок, стоящих перед современной наукой.

Погрешность измерения

Несмотря на то, что результат оказался весьма интересным, он не является бесспорным. Все измерения сопровождаются степенью неопределенности или «погрешности». В данном случае вероятность того, что результат оказался случайным статистическим колебанием — или «тремя сигмами», как принято говорить в физике частиц, составляет один к 1000.

Один к 1000 может показаться не очень большим, но в физике частиц проводится очень большое количество измерений, и поэтому можно ожидать, что небольшое количество измерений может привести к случайным отклонениям. Чтобы быть действительно уверенными в том, что эффект реален, нужно достичь пяти сигма — что соответствует менее чем одному шансу из миллиона на то, что эффект является результатом статистической случайности.