Стандартна модель фізики елементарних частинок може бути хибною

Автор: Роджер Джоунс, професор фізики Ланкастерського університету.

Як фізик, що працює на Великому адронному колайдері (ВАК; англ. Large Hadron Collider, LHC) у Європейському центрі ядерних досліджень (ЦЕРН), мене часто запитують: «Коли ви щось знайдете?». Долаючи жагу саркастично відповісти: «Окрім бозона Хіггса, котрий отримав Нобелівську премію, та цілої купи нових складених частинок?» – я усвідомлюю, що причина, чому це питання ставлять так часто, полягає лише в тому, як ми представляємо світу прогрес у фізиці елементарних частинок.

Ми часто кажемо про прогрес у сенсі віднайдення нових частинок, і зазвичай це вірно. Вивчення нової, дуже важкої частинки дає нам змогу побачити основоположні фізичні процеси, зазвичай без дратуючих фонових шумів. Це допомагає легко пояснити значимість знахідки для суспільства та політиків.

Проте, нещодавно низка точних вимірювань вже відомих, базових частинок та процесів погрожувала сколихнути фізику. З підготовкою ВАК до роботи з більшою кількістю енергії та інтенсивністю, ніж раніше, вже час розпочати ширшу дискусію про наслідки.

Якщо чесно, фізика елементарних частинок завжди розвивалася у двох напрямках, одним з яких є нові частинки. Інший – це проведення дуже точних вимірювань, що перевіряють передбачення теорій та шукають відхилення від передбачуваного.

Перші докази теорії загальної відносності Айнштайна, наприклад, прийшли з віднайдення малих відхилень в видимих позиціях зірок та руху Меркурія по його орбіті.

Три основні знахідки

Частинки підкоряються контрінтуїтивній, хоча дуже успішній теорії, що має назву квантова механіка. Ця теорія показує, що завеликі для прямого створення в лабораторних зіткненнях частинки все ще можуть впливати на дії інших частинок (за допомогою так званої «квантової флуктуації»). Проте, вимірювання таких ефектів є дуже складним і тим паче непростим для пояснення суспільству.

Хоча нещодавні результати, що натякають на недосліджену нову фізику поза стандартною моделлю, належать до цього другого типу. Деталізовані дослідження з LHCb експерименту виявили, що частинка b-кварк (кварки – це складові протонів та нейтронів в ядрі атома) розщеплюється на електрон частіше, ніж на мюон – важчий, але загалом ідентичний, родич електрона. Згідно стандартної моделі таке не має відбуватися – це вказує на те, що нові частинки, або навіть сили природи, можуть впливати на процес.

Експеримент LHCb. ЦЕРН

Інтригуюче, проте дослідження схожих процесів, що залучають t-кварки з експерименту ATLAS у ВАК показують, що такий розпад відбувається в однаковому темпі як для елетронів, так і для мюонів.

Між тим, в рамках експерименту Muon g-2 в лабораторії Фермі (Fermilab), що розташована в Америці, нещодавно провели дуже точне дослідження того, як мюони «колихаються» в той час, як їх «спін» (квантова властивість) взаємодіє з оточуючим магнітним полем. Вчені знайшли мале, але значуще, відхилення від певних теоретичних передбачень, знову ж таки натякаючи на вплив невідомих частинок або сил.

Останні несподівані результати – це виміри маси фундаментальної частинки, що називається W-бозон, яка несе слабку ядерну силу, що керує радіоактивним розпадом. Після багатьох років збирання інформації та аналізу, експеримент, що також відбувся у Fermilab, припускає що ця частинка значно важча за теоретичні передбачення – з відхиленням на значення, яке не може статися випадково більше ніж у мільйонах мільйонів експериментів. Знову ж таки, можливо невідомі ще частинки додають до її маси.

Проте, цікавим є те, що це також суперечить деяким менш точним дослідженням з ВАК.

Висновок

Хоча ми не впевнені, що ці ефекти потребують додаткового пояснення, з’являється дедалі більше доказів, що потрібна певна нова фізика.

Звичайно, нових механізмів, що намагатимуться пояснити ці спостереження, буде майже стільки, скільки існує теоретиків. Багато хто звернеться до різних форм «суперсиметрії». Це ідея, що існує вдвічі більше фундаментальних частинок в стандартній моделі, ніж ми думали, через те, що кожна частинка має «супер партнера». Вони можуть включати додаткові бозони Хіггса (які пов’язують з полем, що дає фундаментальним частинкам їх масу).

Інші підуть далі, використовуючи наразі менш популярні ідеї, такі як теорії техніколору, з яких випливає, що існують додаткові сили природи (на додаток до гравітації, електромагнетизму, і сильної та слабкої ядерної сили), що може означати, що бозон Хіггса, насправді композитний об’єкт, що складається з інших частинок. Тільки експерименти розкриють правду, що є хорошою новиною для експериментаторів.

Команди експериментаторів, що стоять за новими знахідками, є дуже поважними та працюють над проблемою вже довгий час. Тим не менш, при всій повазі до них, можна відзначити, що ці вимірювання надзвичайно складні. Ба більше, передбачення стандартної моделі зазвичай потребують розрахунків, де необхідні наближення. Це означає, що різні теоретики можуть передбачати трохи різні маси та швидкості розпаду, залежно від припущень та рівня наближення. Тому, можливо тоді, коли ми зробимо більш точні розрахунки, деякі нові знахідки будуть відповідати стандартній моделі.

Однаково можливо і те, що вчені використовують трохи різні інтерпретації, і тому отримують різні результати. Порівняння результатів двох експериментів потребує ретельної перевірки того, що однаковий рівень наближення використовувався в обох випадках.

Обидва є прикладами джерел «систематичної невизначеності», і поки всі зацікавлені старанно намагаються визначити їх кількісно, можуть виникати непередбачувані ускладнення, які недо- або переоцінюють їх.

Жоден з цих факторів не робить поточні результати менш цікавими або важливими. Ці результати демонструють, що існують декілька шляхів до глибшого розуміння нової фізики, і що ми маємо їх досліджувати.

З рестартом ВАК все ще існують можливості відкриття нових частинок через рідкісні процеси або знайдені, заховані під покровом, який нам ще належить відкрити.

Стаття вперше була опублікована англійською мовою під заголовком «The standard model of particle physics may be broken – an expert explains» в журналі The Conversation 6 травня 2022 р.

Переклала Катерина Мащенко.