Физики пытаются объяснить странные столкновения частиц на БАК

Аномалия, обнаруженная на Большом адронном коллайдере, побудила ученых пересмотреть математическое описание связанной с экспериментами физики. Изучая две силы, которые отличаются в повседневной жизни, но объединяются при экстремальных условиях в коллайдере (напоминающих условия после рождения Вселенной), они упростили одно из описаний взаимодействий элементарных частиц. Новый подход позволяет сделать особые предсказания событий будущих экспериментов БАК и других коллайдеров, которые помогут выявить «новую физику» и частицы или процессы, которые еще только предстоит открыть.

Суть в том, что композитные субатомные структуры, созданные в процессе мощных столкновений протонов, развалились совершенно неожиданным образом в детекторе Большого адронного коллайдера под названием LHCb. «b» в названии детектора означает beauty (прелестный) и обозначает тип кварков, одних из фундаментальных строительных блоков материи. Пары кварков, прелестный кварк плюс один — любой из них — образуют прелестный мезон.

Мезоны — это нестабильные мимолетные структуры, которые быстро распадаются на элементарные частицы. Один из типов распада производит электрон и позитрон, другой — мюон и его антиматериального коллегу, антимюон.

Стандартная модель физики элементарных частиц, мощная математическая модель, которая привела физиков к открытию бозона Хиггса и других частиц до него, предсказывает, что два возможных распада должны происходить с одинаковой скоростью.

Но эксперименты с использованием детектора LHCb показали, что мюон-электронный распад происходит на 25% медленнее. Такого рода аномалии указывают на «новую физику», детали фундаментальных сил природы, которые нужно проработать.

Бенджамин Гринштейн, профессор физики Калифорнийского университета в Сан-Диего, и его коллеги Родриго Алонсо де Пабло и Хорхе Мартин Камалих пересмотрели математику, лежащую в основе прогноза. Их работа была опубликована в журнале Physical Review Letters.

Стандартная модель описывает частицы и их взаимодействия, образующие фундаментальные силы природы, включая электромагнетизм и слабые силы, ответственные за радиоактивный распад. При обычных условиях слабая сила электромагнетизм кажутся разными, но в чрезвычайных условиях, например, высокой энергии, произведенной коллайдером, или экстремальных условиях космоса после Большого Взрыва, они, как полагают, объединяются в электрослабое взаимодействие.

«Мы заметили, что параметры, которые люди используют для экспериментов с частицами малой массы вроде мезонов, не включают ограничения, связанные с этим дополнением — модификациями Стандартной модели, которые учитывают дополнительные взаимодействия, — заявил Гринштейн. — Когда вы это сделаете, вы найдете на удивление много ограничений. Предполагали, что на низких энергиях вы можете забыть обо всяких ограничениях электрослабой теории, потому что их не видно, но на деле это не так».

Когда две силы рассматриваются как одна, некоторые математические термины, описывающие взаимодействия, параметры не допускаются и могут быть отброшены. К такому выводу пришла группа Гринштейна. Другие — связаны и могут быть свернуты в единые параметры, что значительно уменьшает общее число параметров, необходимых для расчета модели.

«Обычно пристальный взгляд приводит к более детальным или сложным моделям. Приятный момент в нашем проекте заключается в том, что наши предположения значительно упростили изучение физики распадов», — пишет Алонсо. Ученые смогли сжать новую физику для объяснения аномалий. Описание ученых полностью согласуется с математикой Стандартной модели. Это дополнение, которое учитывает небольшие отклонения в ожидаемом поведении частиц с низкой массой в процессе распада прелестного, странного и очарованного мезона. Упрощенное математическое описание позволяет сделать конкретные предсказания того, что должны наблюдать физики-экспериментаторы. К примеру, ограничивают спин элементарных частиц, производимых в ходе определенных взаимодействий.

Эти события довольно редкие: коллайдер производит миллиарды столкновений, но только один из 100 миллионов прелестных мезонов распадается таким образом. Собственно, эту аномалию и рассматривала группа Гринштейна.

Квантовая теория поля утверждает, что силы, или взаимодействия, возникают в результате обмена частиц.

«Эта параметризация игнорирует обмен частиц, — говорит Гринштейн. — Но это потенциальное руководство для поиска новых элементарных частиц. Как только такой обмен будет хорошо описан, вы можете вернуться и задаться вопросом, какой тип частиц должен выступать медиатором при весьма специфических требованиях».

Если дополнительные частицы существуют, они остаются незамеченными до сих пор, возможно, потому что они настолько массивны, что коллайдер пока не достиг энергии, необходимой для их производства.

Космология указывает на неоткрытую пока физику, темная материя состоит из неизвестной пока субстанции, темная энергия ускоряет расширение вселенной посредством неизвестной силы. Эти загадки могут быть решены, если будут обнаружены новые частицы.