Что отсутствие новых частиц означает для физики?

10 147 просмотров
Об авторе

Физика

Физики Большого адронного коллайдера в Европе испытали свойства природы на самых высоких энергиях в истории и не нашли ничего особенного: совсем ничего нового. Такого, пожалуй, 30 лет назад, когда проект только задумывался, не мог предвидеть никто. Печально известный «двухфотонный пик», который появился в данных в декабре, исчез бесследно: оказался скорее статистической флуктуацией, нежели новой фундаментальной частицей. По сути, столкновения на ускорителем на текущий момент не выявили ничего, кроме каталогизированной, но неполной Стандартной модели физики элементарных частиц. Среди осколков столкновений физики не нашли никаких частиц, которые могли бы объяснить темную материю, оказаться братьями и сестрами бозона Хиггса, никаких дополнительных измерений, никаких лептокварков… и никаких суперсимметричных частиц, которые дополнили бы наши уравнения и удовлетворили бы принципу «естественности», который может лежать в основе всех законов природы.

«Поразительно, что мы думали обо всем этом целых тридцать лет и не сделали ни единого правильного предсказания о том, что увидим», говорит Нима Аркани-Хамед, профессор физики в Институте перспективных исследований в Принстоне.

Последние новости появились на Международной конференции по физике высоких энергий в Чикаго в презентациях экспериментов ATLAS и CMS, гигантские детекторы которых находятся на 6 и 12 часах на циферблате 30-километрового кольца БАК. Обе команды, в каждой из которых по 3000 человек, лихорадочно работали в течение последних трех месяцев, анализируя огромный поток данных с машины, которая, наконец, заработала в полную силу после модернизации (и удвоила ее). В настоящее время БАК сталкивает протоны на 13 триллионах электрон-вольт (ТэВ) энергии, предоставляя достаточно сырья для порождения гигантских элементарных частиц. Если таковые существуют, конечно.

Но пока ни одной не нашли. Особенно душераздирающей для многих стала потеря двухфотонного пика, избытка пар фотонов, которые появились в прошлом году в партии 13-ТэВ данных и привели к появлению более 500 работ теоретиков на эту тему. Слухи об исчезновении бума в данных начали просачиваться в июне, вызвав у всего сообщества «двухфотонное похмелье».

«Эта находка могла бы в одиночку указать на очень захватывающее будущее для экспериментов с частицами», говорит Раман Сандрум, физик-теоретик из Университета штата Мэриленд. «Ее отсутствие возвращает нас к тому, с чего мы начинали».

Отсутствие новой физики углубляет кризис, который начался в 2012 году вместе с первым запуском БАК, когда стало очевидно, что 8-ТэВ-столкновения не откроют никакой новой физики за пределами Стандартной модели. (Бозон Хиггса, открытый в том же году, стал последним элементов головоломки под названием Стандартная модель, а не ее расширением). Частица на белом коне могла бы показаться в конце того или следующего года, ну или хотя бы вылиться в легкие сюрпризы в поведении известных частиц, которые указали бы на новую физику. Но все приходит к тому, что теоретики готовят к себя к «кошмарному сценарию», в котором БАК вообще не открывает никакого пути в направлении более полной теории природы.

Некоторые теоретики утверждают, что всей этой сфере пришло время начать войну с нулевыми результатами. Отсутствие новых частиц практически точно подразумевает, что законы физики не так естественны, как привыкли считать сами физики. «Естественность настолько хорошо обоснована, — говорит Сандрум, — что одно ее отсутствие является крупным открытием».

Недостающие части

Главная причина уверенности физиков в том, что Стандартная модель — часть чего-то большего в этой истории — это бозон Хиггса. А точнее, его огромная и кажущаяся неестественной масса. В уравнениях Стандартной модели Хиггс связан со многими другими частицами. Эта связь дает частицам массу, позволяя им, в свою очередь, менять значение массы Хиггса, как в перетягивании каната. Некоторые участники этого перетягивания чрезвычайно сильные — гипотетические частицы, которые отвечают за гравитацию, могут вносить (или уносить) до 10 миллионов миллиардов ТэВ в массу Хиггса — но каким-то образом его масса заканчивается на 0,125 ТэВ, словно участники перетягивания каната заканчивают процесс чистой ничьей. Кажется абсурдным, если только не найти разумное объяснение этому равенству.

Предложенная в начале 1980-х годов теория суперсимметрия могла бы с этим справиться. Она утверждает, что на каждый «фермион», существующий в природе — частицу материи, вроде электрона или кварка, который добавляет массе Хиггса — есть суперсимметричный «бозон», частица-переносчик силы, которая вычетает из массы Хиггса. Таким образом, каждый участник перетягивания каната обладает равной силой и Хиггс естественным образом стабилизирован. Теоретики предложили альтернативные предложения по достижению естественности, но у суперсимметрии есть дополнительные аргументы в свою пользу: она приводит к тому, что силы трех квантовых взаимодействий идеально сливаются при высоких энергиях, предполагая, что они были объединены во время рождения вселенной. И она предлагает инертную, стабильную частицу с массой, которая идеально подошла бы для темной материи.

Фотоны

«Мы практически ее нашли, — говорит Мария Спиропулу, физик частиц из Калифорнийского технологического института и член CMS. — Спросите людей моего поколения, нас практически учили, что суперсимметрия есть, хотя мы ее пока не обнаружили. Мы верили в нее».

Отсюда и возникло удивление, когда суперсимметричные партнеры известных частиц не показались — сначала на Большом электрон-позитронном коллайдере в 1990-х, потом на Тэватроне в 1990-х и начале 2000-х, а теперь и на БАК. По мере того, как коллайдеры выходили на все более высокие энергии, расширялась пропасть между известными частицами и их гипотетическими суперпартнерами, которая должны быть намного тяжелее, чтобы избегать случайного обнаружения. Наконец, суперсимметрия стала настолько «сломанной», что влияние частиц и их суперпартнеров на массу Хиггса больше не компенсировалось, и суперсимметрия не стала решением проблемы естественности. Некоторые эксперты думают, что мы уже прошли нужную точку. Другие предлагают расширить свободу определения ряда факторов, причем это происходит уже сейчас, вместе с тем, как ATLAS и CMS исключают стоп-кварк — гипотетический суперпартнер топ-кварка с 0,173 ТэВ — до массы в 1 ТэВ. Это почти шестикратное несоответствие между топ- и стоп-кварками в перетягивании каната. Даже если стоп тяжелее 1 ТэВ существует, он будет слишком сильно тянуть Хиггса, чтобы решить проблему, для которой он появился в теории.

«Я думаю, 1 ТэВ это психологический предел», говорит Альберт де Роек, старший научный сотрудник ЦЕРН, из лаборатории, которой принадлежит БАК, и профессор Университета Антверпена в Бельгии.

И хотя некоторые могут сказать, что уже хватит, другие продолжают цепляться за ниточки. Среди многочисленных суперсимметричных расширений Стандартной модели есть и более сложные версии, в которых стоп-кварки тяжелее 1 ТэВ сговорились с дополнительными суперсимметричными частицами, чтобы уравновесить топ-кварк и настроить массу Хиггса. У этой теории так много вариантов, или отдельных «моделей», что убить ее наверняка практически невозможно. Джо Инкандела, физик Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, который объявил об открытии бозона Хиггса от лица коллаборации CMS в 2012 году и ныне руководит исследованиями на тему стоп-кварка, говорит, что «если вы что-то видите, можно сделать независимое от модели заявление, что вы что-то видите. Если вы ничего не видите, будет сложнее».

Частицы могут скрываться в укромных уголках и трещинах. Если, например, стоп-кварк и легчайшее нейтралино (суперсимметричный кандидат для темной материи) будут иметь примерно одну массу, они могут оставаться в тени. Дело в том, что когда стоп-кварк рождается в процессе столкновения и распада, порождающем нейтралино, очень мало энергии будет высвобождено, чтобы принять форму движения. «Когда распадается стоп, где-то сидит и частица темной материи, — объясняет Кайл Кранмер из Нью-Йоркского университета, член ATLAS. — Вы ее не видите. Поэтому в таких регионах и искать нечего». В таком случае стоп-кварк с массой ниже 0,6 ТэВ может скрываться в данных.

Экспериментаторы попытаются залатать эти лазейки в ближайшие годы, ну или раскопать скрытые частицы. В то же время теоретики готовы смириться с тем, что природа не показывает, в каком направлении можно было бы двигаться. Ситуация очень запутанная.

Новая надежда

Многие теоретики частиц теперь признают давно наметившуюся возможность: что масса бозона Хиггса просто неестественна — ее малая величина обусловлена случайной, прекрасно налаженной компенсацией в космическом перетягивании каната — и что мы наблюдаем такое особенное свойство, поскольку от него зависит наша жизнь. В таком случае, существует множество вселенных, в каждой из которых комбинация эффектов совершенно случайна. Из всех этих вселенных атомы формируются лишь в тех, где случайно появляется легкий бозон Хиггса, а значит, и рождаются живые существа. Но такой «антропный» аргумент ненавидят за то, что его невозможно проверить.

БАК

За последние два года некоторые физики-теоретики начали предлагать совершенно новые естественные объяснения массе Хиггса, стараясь избегать фатализма антропного принципа и не полагаться на новые частицы, которые могут показаться на БАК. К примеру, на прошлой неделе в ЦЕРН собрали семинар, на котором обсудили гипотезу релаксиона — из которого следует, что масса Хиггса выстраивается динамически при рождении космоса, а не формой симметрии — и возможные способы проверки этих идей. Теперь, когда двухфотонный пик оставил ученых ни с чем, им придется возвращаться и придумывать новые возможности для новой физики.

Аркани-Хамед говорит, что «есть много теоретиков, включая меня, которые думают, что мы живем в совершенно уникальное время, когда все вопросы — гигантские, структурные, без подробностей о следующей частице. Мы должны быть счастливы жить в такое время — даже если при нашей жизни не будет серьезного, проверенного прогресса».

Пока теоретики возвращаются к доскам, 6000 экспериментаторов CMS и ATLAS упиваются данными из ранее неизведанной области. «Кошмар? Что вы имеете в виду?», говорит Спиропулу, имея в виду негодование теоретиков на тему кошмарного сценария. «Мы исследуем природу. Наверное, у нас нет времени думать о разного рода кошмара, поскольку мы тонем в данных и очень этому рады».

Есть надежда, что новая физики еще проявит себя. Но и не обнаружить ничего, с позиции Спиропулу, это что-то да обнаружить — особенно если вместе с этим погибнут громкие идеи.

Что отсутствие новых частиц означает для физики?

Приложение
Hi-News.ru

Новости высоких технологий в приложении для iOS и Android.

39 комментариев

  1. uran

    Как обычно, бабки проели, теперь нужно оправдывать повод на новые бабки. Ждем сказку про голого короля. (отправлено из Android приложения Hi-News.ru)

  2. justromagod

    Очень хороший критерий неправильности теории если ты её не можешь объяснить понятным языком. (отправлено из приложения Hi-News.ru)

  3. Rafman

    mc2 = πr2 - Новое мышление...
    И не нужно строить новые коллайдеры.

  4. Xeks

    Физики не ошибаются, они медленно движутся к глобальному заблуждению. (отправлено из Android приложения Hi-News.ru)

    • Riccard

      мысли необразованных людей меня всегда забавляли ) Это как боязни деревенских перед паровым двигателем в свое время )

      • Xeks

        А меня такие комменты забавляют. (отправлено из Android приложения Hi-News.ru)

        • Riccard

          когда не понимаешь смысл сообщения, это даже может показаться смешным, я тебя понимаю.

          • cats.can.fly

            ну а что ты хотел. Ты ведь не из его группы и обладаешь совсем другим понятийным фундаментом. Разумеется он будет считать тебя либо сумасшедшим либо глупцом.

  5. Khius

    Наука простым языком:
    Если оно зеленое или дергается - это биология.
    Если воняет - это химия.
    Если не работает, но жрет массу энергии - это физика.
    Если вообще ни на что не похоже - это экономика. (отправлено из приложения Hi-News.ru)

  6. uran

    Консилиум в сборе. Учёный мир проник и в эту трепалку. Так объясните нам, не смышленым, что такого важного для развития человечества даст эта работа? Военные разработки не упоминайте, они не развивают, а только бабки из бюджетов тащат. И так, где-же платье короля? (отправлено из Android приложения Hi-News.ru)

    • Riccard

      вообще такие комментарии как у Уран это детектор идиотов. В каждой статье про фундаментальную науку найдется необразованный глупый птушник и спросит "а зачем нам оно". Как-же они раздражают

      • Naktopoleon

        Хорошо, я - идиот. Объясните мне, такому несмышлёному, чем это поможет "простым смертным".

        • Pet'ka

          Забейте, судя по ответам никто толком не знает для чего выдумывается новая физика. Только и могут с умным видом искать в каждом детекторы идиотом и мракобесов. Судя по ответам БАК-овских, ситуация такая же.
          От себя же смею предположить, что поиски новой физики - это крохотный мостик к Теории ВСЕГО.
          По большому счету сведения о Козлекварках и Хуезонах Биггса практической пользы в жизни не несут, т.к. частицы выявленные на сегодняшнее время в результате столкновений в БАК-е нестабильны и не могут существовать при энергиях нашей Вселенной, как и не могут "слепиться" в подобие вещества. Возможно когда-нибудь, а впрочем... когда-нибудь и узнаем.

    • Tech

      Деньги в данном прикладном случае двигатель прогресса для потребительского использования.
      А основная причина в том, чтобы со спутника можно было было обнаруживать единицы вражеской техники и иметь преимущество.
      Вот и все последствия космических достижений - иметь преимущество в боевых действиях, либо находить устройства, которые забиты никому не нужными фото.
      Системы позиционирования конечно в гражданском применении важны и хороши - строительство, например.

  7. futureman

    "Стандартная модель" - безобразна, некрасива, неэлегантна. а значит, как соглашается большая часть физиков, не верна. На нее можно опираться лишь приблизительно. Это как астрономия Птолемея с Землей в центре Вселенной, в которой были свои - очень сложные - вычисления для для описания движения звезд вокруг Земли. И БАК ставит на Стандартной модели точку. Только вот смелости и гениальности не хватает на новую теорию и новую модель.

    • Neron

      "В конце 1990-х годов физикам удалось разработать Стандартную модель , которая объединяет три из четырёх фундаментальных взаимодействий — сильное, слабое и электромагнитное."
      "Стандартная модель не может считаться окончательной теорией элементарных частиц. Она должна быть частью некоторой более глубокой теории строения микромира, той частью, которая видна в экспериментах на коллайдерах при энергиях ниже примерно 1 ТэВ. Такие теории коллективно называют «Новая физика» или «За пределами Стандартной модели». Главная задача Большого адронного коллайдера — получить хотя бы первые намеки на то, что это более глубокая теория."
      "Для дальнейшего объединения фундаментальных взаимодействий в одной теории используются различные подходы: теория струн, получившая своё развитие в М-теории (теории бран), теория супергравитации, петлевая квантовая гравитация и др. Некоторые из них имеют внутренние проблемы, и ни у одной из них нет экспериментального подтверждения. Проблема в том, что для проведения соответствующих экспериментов нужны энергии, недостижимые на современных ускорителях заряженных частиц."
      "БАК позволит провести эксперименты, которые ранее были невозможны и, вероятно, подтвердит или опровергнет часть этих теорий."

  8. Niko Ar

    Возможно, что теория суперсимметрии не подтверждается потому, что наша Вселенная расширяется. Расширение пространства – неравновесный процесс, а суперсимметрия предполагает наличие своего рода равновесия.

  9. uran

    По миру кризис, на доп. оборудование нету бабосов, будьте реалистами. Для больших скоростей нужны большие энергии. Все упирается не в теорию, а в банальную практику. Научная революция нужна, причём мировая. (отправлено из Android приложения Hi-News.ru)

  10. cats.can.fly

    С научной точки зрения нельзя доказать отсутствие чего либо.
    Если несостоятельность двухфотонного пика стала для кого-то ударом, то это не настоящие ученые, а болваны в халатах. Никогда настоящие ученые не допустят того, что бы не состоявшиеся ожидаемые результаты наносили критический урон их гипотезам и наоборот, состоявшиеся укрепляли их лишь чуть-чуть.
    Возможно этот двухфотонный бум специально сделан учеными с БАК, дабы понять кто является настоящими учеными, а кого следует записать в идиоты и игнорировать.

    • Neron

      "Возможно этот двухфотонный бум специально сделан учеными с БАК, дабы понять кто является настоящими учеными, а кого следует записать в идиоты и игнорировать."
      Нет, это было статистической флуктуацией.

      • Balabol

        CATS.CAN.FLY,
        "С научной точки зрения нельзя доказать отсутствие чего либо."
        Епт, да эта фраза, гениальнее чем научная фраза - "НЛО не существует, потому что не известна природа происхождения объекта." То-есть, нельзя идентифицировать = не существует! Вот тут, из двух "умных утверждений" ученых и возникает вполне разумный вопрос к ученым, когда они определятся с критериями определения того что не существует, и перестанут нести бред и маразм по многим научным и не только темам?!

    • Pain

      "С научной точки зрения нельзя доказать отсутствие чего либо."
      С этим полностью не согласен. Чтобы доказать отсутствие, достаточно доказать невозможность присутствия, и по закону логики получаем в результате гарантированное отсутствие.

      • Riccard

        ну давай, докажи мне отсутствие чайника в Альфа Центравре

        • Balabol

          Легко! В звезде Альфа, созвездия Центавра температура приблизительно равна 2427 градусам Цельсия, а при такой температуре существование чайника как неизменного объекта невозможно! Вывод: чайник в Альфа Центравре - отсутствует!

          • Riccard

            во-первых там не будет везде 2к градусов, во-вторых чайник может быть из термоустойчивого материала

            • Balabol

              Какой вопрос, таков ответ! Во первых в звезде будет и более 2,4к градусов, во вторых, гравитации звезды термоустойчивый материал так же по барабану, как лобовому стеклу авто на букашку, которую по нему размазало...

      • Balabol

        По закону логики оно то так, но только вот логика похоже у всех разная... Вот и получается, что бывает, что одно и тоже явление, логически описано дважды, трижды, и каждый раз "логично" с каждой конкретной точки зрения, а порой встречаются просто откровенные противоречия логике, которые считаются логичными... Вот пока такое в науке "бывает" пока наука и будет испытывать кризис...

  11. uran

    Точно. Бесконечное количество опытов приведёт таки к результату. Старая песня о главном. (отправлено из Android приложения Hi-News.ru)

  12. tabasko

    Прикольно (отправлено из Android приложения Hi-News.ru)

  13. Mocey Stein

    А почему сталкивают только протоны?

    • uran

      Размер частицы покоя не даёт, а вдруг оттуда вылетит птичка :) (отправлено из Android приложения Hi-News.ru)

    • Udghin

      Потому что нейтроны нейтральны и их не разогнать электричеством, а электроны на много меньше протонов и к тому же вроде неделимы. Тоесть тут вроде как без вариантов (отправлено из Android приложения Hi-News.ru)

    • Neron

      MOCEY STEIN "А почему сталкивают только протоны?"
      "Также обсуждается возможность проведения столкновений протонов и электронов (проект LHeC). Для этого потребуется пристроить линию ускорения электронов. Обсуждаются два варианта: пристройка линейного ускорителя электронов и размещение кольцевого ускорителя в том же тоннеле, что и LHC. Ближайшим из реализованных аналогов LHeC является немецкий электрон-протонный коллайдер HERA. Отмечается, что в отличие от протон-протонных столкновений, рассеяние электрона на протоне — это очень «чистый» процесс, позволяющий изучать партонную структуру протона намного внимательнее и аккуратнее."
      "Считается что с учётом всех модернизаций LHC проработает до 2034 года, но уже в 2014 году в ЦЕРНе было принято решение проработать варианты дальнейшего развития в области физики высоких энергий. Начато изучение возможности строительства коллайдера периметром до 100 км".

    • Pet'ka

      Фишка в том, что и протоны не сталкиваются. Если учитывать строение протона (три кварка, которые скреплены вместе глюонным полем), то при разгоне до околосветных скоростей глюонное поле в протоне перестает связывать кварки и летящий протон начинает состоять из перемешанных глюонных и кварковых облаков.
      Когда два протона сталкиваются, то один кварк из одного протона сталкивается с чем-то из встречного протона.

  14. storm X

    это означает, что все уже придумано. Ваш Кэп)

  15. Palpy

    Ждём прорыва...

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.