Наука зайшла в глухий кут: що відсутність нових частинок означає для фізики

  1. відсутні частини
  2. Нова надія

Фізики Великого адронного коллайдера в Європі випробували властивості природи на самих високих енергіях в історії і не знайшли нічого особливого: зовсім нічого нового. Такого, мабуть, 30 років тому, коли проект тільки замислювався, чи не міг передбачити ніхто.

Сумнозвісний "двухфотонний пік", який з'явився в даних в грудні, зник безслідно: виявився швидше статистичної флуктуацией, ніж нової фундаментальної часткою. По суті, зіткнення на прискорювачі на поточний момент не виявили нічого, крім каталогізувати, але неповною Стандартної моделі фізики елементарних частинок.

Серед уламків зіткнень фізики не знайшли ніяких частинок, які могли б пояснити темну матерію, опинитися братами і сестрами бозона Хіггса, ніяких додаткових вимірів, ніяких лептокварков ... і ніяких суперсиметричних частинок, які доповнили б наші рівняння і задовольнили б принципу "природності", який може лежати в основі всіх законів природи.

"Вражає, що ми думали про все це цілих тридцять років і не зробили жодного правильного передбачення про те, що побачимо", говорить Німа Арканов-Хамед, професор фізики в Інституті перспективних досліджень у Прінстоні.

Останні новини з'явилися на Міжнародній конференції з фізики високих енергій в Чикаго в презентаціях експериментів ATLAS і CMS, гігантські детектори яких знаходяться на 6 і 12 годинах на циферблаті 30-кілометрового кільця ВАК. Обидві команди, в кожній з яких по 3000 чоловік, гарячково працювали протягом останніх трьох місяців, аналізуючи величезний потік даних з машини, яка, нарешті, почала працювати на повну силу після модернізації (і подвоїла її). В даний час БАК зіштовхує протони на 13 трильйонів електрон-вольт (ТеВ) енергії, надаючи достатньо сировини для породження гігантських елементарних частинок. Якщо такі є, звичайно.

Але поки жодної не знайшли. Особливо несамовитої для багатьох стала втрата двухфотонного піку, надлишку пар фотонів, які з'явилися в минулому році в партії 13-ТеВ даних і привели до появи більш 500 робіт теоретиків на цю тему. Чутки про зникнення буму в даних почали просочуватися в червні, викликавши у всієї спільноти "двухфотонная похмілля".

"Ця знахідка могла б поодинці вказати на дуже захоплююче майбутнє для експериментів з частинками", говорить Раман Сандрума, фізик-теоретик з Університету штату Меріленд. "Її відсутність повертає нас до того, з чого ми починали".

Відсутність нової фізики поглиблює кризу, яка почалася в 2012 році разом з першим запуском ВАК, коли стало очевидно, що 8-ТеВ-зіткнення не відкриють ніякої нової фізики за межами Стандартної моделі. (Бозон Хіггса, відкритий в тому ж році, став останнім елементом головоломки під назвою Стандартна модель, а не її розширенням). Частка на білому коні могла б здатися в кінці того чи наступного року, ну або хоча б вилитися в легені сюрпризи в поведінці відомих частинок, які вказали б на нову фізику. Але все приходить до того, що теоретики готують до себе до "кошмарному сценарієм", в якому ВАК взагалі не відкриває жодного шляху в напрямку більш повної теорії природи.

Деякі теоретики стверджують, що всій цій сфері прийшов час почати війну з нульовими результатами. Відсутність нових частинок практично точно має на увазі, що закони фізики не так природні, як звикли вважати самі фізики. "Природність настільки добре обгрунтована, - каже Сандрума, -що одне її відсутність є великим відкриттям".

відсутні частини

Головна причина впевненості фізиків в тому, що Стандартна модель - частина чогось більшого в цій історії - це бозон Хіггса. А точніше, його величезна і здається неприродною маса. У рівняннях Стандартної моделі Хіггс пов'язаний з багатьма іншими частинками. Цей зв'язок дає частинкам масу, дозволяючи їм, в свою чергу, змінювати значення маси Хіггса, як в перетягуванні каната. Деякі учасники цього перетягування надзвичайно сильні - гіпотетичні частинки, які відповідають за гравітацію, можуть вносити (або відносити) до 10 мільйонів мільярдів ТеВ в масу Хіггса -но якимось чином його маса закінчується на 0,125 ТеВ, немов учасники перетягування каната закінчують процес чистої нічиєю . Здається абсурдним, якщо тільки не знайти розумне пояснення цьому рівності.

Запропонована на початку 1980-х років теорія Суперсиметрія могла б з цим впоратися. Вона стверджує, що на кожен "фермион", існуючий в природі - частку матерії, на кшталт електрона або кварка, який додає масі Хіггса - є суперсиметричних "бозон", частка-переносник сили, яка вичетает з маси Хіггса. Таким чином, кожен учасник перетягування каната має рівний силою і Хіггс природним чином стабілізовано. Теоретики запропонували альтернативні пропозиції по досягненню природності, але у суперсиметрії є додаткові аргументи на свою користь: вона призводить до того, що сили трьох квантових взаємодій ідеально зливаються при високих енергіях, припускаючи, що вони були об'єднані під час народження всесвіту. І вона пропонує інертну, стабільну частку з масою, яка ідеально підійшла б для темної матерії.

І вона пропонує інертну, стабільну частку з масою, яка ідеально підійшла б для темної матерії

"Ми практично її знайшли, - каже Марія Спіропулу, фізик частинок з Каліфорнійського технологічного інституту і член CMS. - Запитайте людей мого покоління, нас практично вчили, що суперсиметрія є, хоча ми її поки не виявили. Ми вірили в неї".

Звідси і виникло здивування, коли суперсиметричні партнери відомих часток не здалися - спочатку на Великому електрон-позитронного коллайдера в 1990-х, потім на Теватрон в 1990-х і початку 2000-х, а тепер і на ВАК. У міру того, як колайдери виходили на все більш високі енергії, розширювалася прірву між відомими частками і їх гіпотетичними суперпартнери, які повинні бути набагато важче, щоб уникати випадкового виявлення. Нарешті, суперсиметрія стала настільки "зламаною", що вплив частинок і їх суперпартнерів на масу Хіггса більше не компенсувалося, і суперсиметрія не стала вирішенням проблеми природності. Деякі експерти думають, що ми вже пройшли потрібну точку. Інші пропонують розширити свободу визначення ряду факторів, причому це відбувається вже зараз, разом з тим, як ATLAS і CMS виключають стоп-кварк - гіпотетичний суперпартнери топ-кварка з 0,173 ТеВ -до маси в 1 ТеВ. Це майже шестиразове невідповідність між топ- і стоп-кварками в перетягуванні каната. Навіть якщо стоп важче 1 ТеВ існує, він буде занадто сильно тягнути Хіггса, щоб вирішити проблему, для якої він з'явився в теорії.

"Я думаю, 1 ТеВ це психологічний межа", говорить Альберт де Роек, старший науковий співробітник ЦЕРН, з лабораторії, якій належить ВАК, і професор Університету Антверпена в Бельгії.

І хоча деякі можуть сказати, що вже вистачить, інші продовжують чіплятися за ниточки. Серед численних суперсиметричних розширень Стандартної моделі є і більш складні версії, в яких стоп-кварки важче 1 ТеВ змовилися з додатковими суперсиметричних частинками, щоб врівноважити топ-кварк і налаштувати масу Хіггса. У цій теорії так багато варіантів, або окремих "моделей", що вбити її напевно практично неможливо. Джо Інкандела, фізик Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі, який оголосив про відкриття бозона Хіггса від імені колаборації CMS в 2012 році і нині керує дослідженнями на тему стоп-кварка, каже, що "якщо ви щось бачите, можна зробити незалежне від моделі заяву, що ви щось бачите. Якщо ви нічого не бачите, буде складніше ".

Частинки можуть ховатися в затишних куточках і тріщинах. Якщо, наприклад, стоп-кварк і легчайшее нейтраліно (суперсиметричних кандидат для темної матерії) матимуть приблизно одну масу, вони можуть залишатися в тіні. Справа в тому, що коли стоп-кварк народжується в процесі зіткнення і розпаду, що породжує нейтраліно, дуже мало енергії буде вивільнено, щоб прийняти форму руху. "Коли розпадається стоп, десь сидить і частка темної матерії, - пояснює Кайл Кранмер з Нью-Йоркського університету, член ATLAS. - Ви її не бачите. Тому в таких регіонах і шукати нічого". В такому випадку стоп-кварк з масою нижче 0,6 ТеВ може ховатися в даних.

Експериментатори спробують залатати ці лазівки в найближчі роки, ну або розкопати приховані частки. У той же час теоретики готові змиритися з тим, що природа не показує, в якому напрямку можна було б рухатися. Ситуація дуже заплутана.

Нова надія

Багато теоретики частинок тепер визнають давно намітилася можливість: що маса бозона Хіггса просто неприродна - її мала величина обумовлена ​​випадковою, прекрасно налагодженої компенсацією в космічному перетягуванні каната - і що ми спостерігаємо таке особливе властивість, оскільки від нього залежить наше життя. В такому випадку, існує безліч всесвітів, в кожній з яких комбінація ефектів зовсім випадкова. З усіх цих всесвітів атоми формуються лише в тих, де випадково з'являється легкий бозон Хіггса, а значить, і народжуються живі істоти. Але такий "антропний" аргумент ненавидять за те, що його неможливо перевірити.

За останні два роки деякі фізики-теоретики почали пропонувати абсолютно нові природні пояснення масі Хіггса, намагаючись уникати фаталізму антропного принципу і не покладатися на нові частинки, які можуть здатися на БАК. Наприклад, минулого тижня в ЦЕРН зібрали семінар, на якому обговорили гіпотезу релаксіона -з якого випливає, що маса Хіггса вибудовується динамічно при народженні космосу, а не формою симетрії -і можливі способи перевірки цих ідей. Тепер, коли двухфотонний пік залишив вчених ні з чим, їм доведеться повертатися і придумувати нові можливості для нової фізики.

Арканов-Хамед каже, що "є багато теоретиків, включаючи мене, які думають, що ми живемо в абсолютно унікальний час, коли всі питання - гігантські, структурні, без подробиць про наступну частці. Ми повинні бути щасливі жити в такий час - навіть якщо при нашому житті не буде серйозного, перевіреного прогресу ".

Поки теоретики повертаються до дощок, 6000 експериментаторів CMS і ATLAS упиваються даними з раніше незвіданою області. "Кошмар? Що ви маєте на увазі?", Говорить Спіропулу, маючи на увазі обурення теоретиків на тему кошмарного сценарію. "Ми досліджуємо природу. Напевно, у нас немає часу думати про різного роду кошмару, оскільки ми тонемо в даних і дуже цьому раді".

Є надія, що нова фізика ще проявить себе. Але і не виявити нічого, з позиції Спіропулу, це щось та виявити - особливо якщо разом з цим загинуть гучні ідеї.

Підпишись на наш Telegram . Надсилаємо лише "гарячі" новини!

Кошмар?
Що ви маєте на увазі?