С середины и до конца двадцатого века квантовые физики разобрали по частям единую теорию физики, предложенную общей теорией относительности Эйнштейна. Физика большого подчиняется гравитации, но только квантовая физика могла описывать наблюдения малого. С тех пор продолжается теоретическое перетягивание каната между гравитацией и тремя другими фундаментальными взаимодействиями, пока физики пытаются расширить гравитацию или квантовую физику, чтобы одна могла поглотить другую. Последние измерения, поступившие с Большого адронного коллайдера, показывают расхождение между прогнозами Стандартной модели, которые могут намекать на совершенно новые сферы Вселенной, лежащие в основе описываемого квантовой физикой. Хотя для подтверждения этих аномалий требуются повторные испытания, подтверждение будет означать поворотный момент в нашем самом фундаментальном описании физики частиц на сегодняшний день.
Квантовые физики обнаружили, что мезоны не распадаются на каон и мюон так часто, как того требует Стандартная модель. Они считают, что повышение мощности Большого адронного коллайдера раскроет частицу нового типа, ответственную за это расхождение. Хотя расхождение могут вызвать ошибки в данных или теории, в таком случае вместо новой частицы улучшенный БАК станет благом для нескольких проектов на передовом фронте физики.
Стандартная модель
Стандартная модель — это хорошо проверенная фундаментальная теория квантовой физики, которая описывает три из четырех фундаментальных взаимодействия, которые, как полагают, управляют нашей физической реальностью. Квантовые частицы бывают двух основных типов: кварки и лептоны. Кварки связываются вместе в различных комбинациях, образуя частицы вроде протона и нейтрона. Протоны, нейтроны и электроны, как известно, собираются в атомы.
«Лептонное семейство» имеет более тяжелые версии электрона — вроде мюона — и кварки могут сливаться в сотни других составных частиц. Две из них, самый нижний и К-мезоны, оказались замешаны в этом квантовом детективе, на который обратили внимание ученые. B-мезон распадается на К-мезон, сопровождаемый мюоном (mu-) и анти-мюоном (mu+).
Аномалия
Ученые обнаружили вероятность в 2,5 сигма, или 1 к 80 того, что в отсутствие неожиданных эффектов, то есть новой физики, более девиантное распределение, чем наблюдалось, будет производиться примерно в 1,25% случаев, говорит профессор Спенсер Клейн, старший научный сотрудник Национальной лаборатории Лоуренса Беркли. Клейн не участвовал в исследовании.
Проще говоря, частота распада мезонов на странные кварки в процессе протонных столкновений на БАК оказывается ниже ожидаемой. «Загвоздка в том, что с 2,5 сигма либо данные немного не того, либо теория немного не того, либо есть намек на что-то за пределами Стандартной модели», говорит Клейн. «Я бы поставил на что-то одно из первых двух».
По мнению Клейна, это отклонение неизбежно, учитывая большой объем данных, которыми оперируют компьютеры в операциях с БАК. «С петабайтовыми наборами данных с БАК и современными компьютерами мы можем производить огромное число вычислений разных величин», говорит Клейн. «БАК выдал много сотен результатов. Статистически некоторые из них могут демонстрировать флуктуации в 2,5 сигма». Физики частиц обычно ждут флуктуацию в 5 сигма, прежде чем бить в колокол.
Эти последние аномальные наблюдения тоже не были взяты с потолка. «Интересно то, как эти наблюдения соотносятся с другими аномальными измерениями процессов с участием B-мезонов, сделанными за последние годы», говорит доктор Тевонг Ю, соавтор исследования и младший научный сотрудник в Университете Кембриджа. «Эти независимые измерения были менее чисты, но более значительны. В сумме, шанс того, что все эти разные измерения отклоняются от Стандартной модели, близок к 1 на 16 000, или 4 сигма», говорит он.
Расширение Стандартной модели
Исключая статистическую или теоретическую ошибки, Тевонг подозревает, что аномалии маскируют присутствие совершенно новых частиц, лептокварков или новых калибровочных бозонов. Внутри нижних мезонов квантовые возбуждения новых частиц могут мешать нормальной частоте распада. В своем исследовании ученые заключили, что обновленный БАК может подтвердить существование новых частиц и внести мощное обновление в Стандартную модель в процессе.
«Это было бы революционным для нашего фундаментального понимания Вселенной», говорит Тевонг. «Для физики частиц это будет означать, что мы приподнимаем еще один слой Природы и продолжаем путешествие к самым элементарным строительным блокам. Это будет важно для космологии, поскольку она опирается на наши фундаментальные теории понимания ранней Вселенной. Взаимодействие между космологией и физикой частиц было очень плодотворным в прошлом. Что касается темной материи, если она возникает из того же нового физического сектора, в который встроен лептокварк, мы могли бы также найти ее след».
Знания — сила
До сих пор ученые с БАК наблюдали лишь призраки и аномалии, намекающие на частицы, существующие на высоких уровнях энергии. Чтобы доказать их существование, физикам «нужно подтвердить косвенные признаки, а для этого нужно ждать, пока эксперимент LHCb не соберет больше данных о распадах B, чтобы сделать более точные измерения», говорит Тевонг. «Мы также получим независимое подтверждение с другого эксперимента, Belle II, который даст о себе знать в следующие несколько лет. После всего этого, если измерение распадов B все еще будет расходиться с прогнозами Стандартной модели, мы будем уверены, что здесь играет нечто за пределами Стандартной модели».
Чтобы установить существование новых частиц, физики должны произвести их так же, как нижние мезоны или бозоны Хиггса, и наблюдать за их распадом. Тот факт, что они не видели таких экзотических частиц на БАК (пока что), означает, что те могут быть слишком тяжелыми и для их производства нужно больше энергии.
Квантовый скачок для БАК
Поиск новых частиц на БАК не зависит от ожидания. Вероятность наблюдения новых явлений прямо пропорциональна количеству частиц, погибающих в столкновениях. «Чем больше появляется частиц, тем выше шансы того, что мы заметим нужное на фоне множества других событий в этих столкновениях», объясняет Тевонг. Поиск новых частиц он уподобляет поиску иголки в стогу сена; проще найти иголку в стогу сена, который набит иголками.
Если аномалии будут подтверждены, Стандартная модель должна будет измениться. Вместе с тем увеличатся и масштабы энергии, на которые будут ориентировать следующее поколение коллайдеров. Возможно, и до темной материи доберемся. А там, глядишь, объединим все эти взаимодействия между различными аномалиями в единую и элегантную теорию.
