Стандартная модель физики элементарных частиц, или просто Стандартная модель, — теоретические рамки в физике, которые наиболее точно и удачно описывают текущее положение элементарных частиц, их значения и поведение. Стандартная модель не является и не претендует на звание «теории всего», поскольку не объясняет темную материю, темную энергию и не включает гравитацию. Постоянные подтверждения Стандартной модели, на зло альтернативной модели суперсимметрии, появляются на Большом адронном коллайдере. Впрочем, не все физики любят Стандартную модель и желают ей скорейшей кончины, ведь это может потенциально привести к развитию более общей теории всего, объяснению черных дыр и темной материи, объединению гравитации, квантовой механики и общей теории относительности.
Открытие бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРН в 2012 году ознаменовало собой важную веху в физике элементарных частиц. Все потому, что бозон Хиггса или «частица Бога» отвечает за механизм появления масс у некоторых других элементарных частиц и подтверждает правильность Стандартной модели. Обнаружение этой неделимой частицы привело к лучшему пониманию Вселенной, а на протяжении последних десяти лет физики изучали бозона Хиггса, пытаясь установить различные способы его образования и распада. Так, согласно Стандартной модели, бозон Хиггса с массой около 125 миллиардов электронвольт может распадаться на Z-бозон и фотон, однако другие модели элементарных частиц прогнозируют иную скорость деградации. Это означает, что редкие случаи распада частицы Бога – один из которых ученые наблюдали совсем недавно – могут изменить наше представление о мироздании.
Пока мы с вами заняты повседневными делами, ученые в ЦЕРН охлаждают почти до абсолютного нуля антиматерию и вообще-то стоят на пороге открытия Новой физики. И так как нет на свете ничего интереснее чем тайны мироздания, предлагаю ненадолго отложить дела и погрузиться в изумительный мир физики. Начнем с того, что теорию антиматерии впервые предложил английский физик-теоретик, один из создателей квантовой теории Поль Дирак в 1928 году. Всего четыре года спустя его теория получила подтверждение. Сегодня мы знаем, что антиматерией ученые называют эфирную противоположность материи. Ее частицы идентичны своим материальным двойникам, за исключением их физических свойств – там, где электрон имеет отрицательный заряд, его антиматериальный двойник, позитрон, имеет положительный. Причина, по которой мы не сталкиваемся с антиматерией так часто, как с обычной материей, заключается в том, что они аннигилируют друг с другом при контакте, что чрезвычайно затрудняет хранение и изучение антиматерии в повседневной жизни.
Вот и наступил долгожданный момент – на этой неделе ученые объявили о существовании неизвестных для науки элементарных частиц и взаимодействий между ними, которые жизненно необходимы для природы и эволюции космоса. Наши постоянные читатели наверняка знают, что в последнее время число свидетельств того, что крошечная субатомная частица, похоже, не подчиняется известным законам физики, растет. Новое открытие, по мнению ученых, открывает дверь в неизвестность в нашем понимании Вселенной. Как пишет в своем Twitter американский физик-теоретик Митио Каку, полученные результаты свидетельствуют о том, что мюон (его обнаружили в космических лучах) и электрон – которые должны быть идентичны – по-видимому, обладают разными свойствами. Это может являться свидетельством существования некой «высшей теории физики, включающей новые частицы, и одновременно быть подтверждением теории струн». Но не все ученые с ним согласны, так как чтобы подтвердить полученные в Fermilab результаты, потребуются годы исследований.
Если физики элементарных частиц добьются своего, новые ускорители смогут в один прекрасный день тщательно исследовать самую любопытную субатомную частицу в физике — бозон Хиггса. Спустя шесть лет после открытия этой частицы на Большом адронном коллайдере, физики планируют новые огромные машины, которые будут растягиваться на десятки километров в Европе, Японии или Китае.
Из чего состоит Вселенная на самом базовом, фундаментальном уровне? Существует ли мельчайший из возможных кирпичик или набор кирпичиков, из которых можно построить буквально все в нашей Вселенной и которые нельзя разделить на что-то еще меньшее? На этот вопрос у науки есть много интересных ответов, впрочем, которые нельзя назвать финальными и окончательными. Потому что в физике всегда есть место для неопределенности, особенно когда речь заходит о том, что мы найдем в будущем.
Стандартная модель. Что за дурацкое название для самой точной научной теории из всех известных человечеству. Более четверти нобелевских премий по физике прошлого века были присуждены работам, которые либо прямо, либо косвенно были связаны со Стандартной моделью. Название у нее, конечно, такое, будто за пару сотен рублей можно купить улучшение. Любой физик-теоретик предпочел бы «удивительную теорию почти всего», каковой она, собственно, и является.
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.
Физики из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре обнаружили явление, которое нельзя подвести ни под одно основное допущение, которых придерживается Стандартная модель физики. Такой вывод был сделан после того, как ученые рассмотрели три отдельных эксперимента. Ученые усердно и упорно работали, чтобы понять физический мир, открыть теории и принципы, определяющие принципы физического вещества. Так называемая Стандартная модель физики включает все законы и принципы, касающиеся материи во всех ее формах и размерах. Стандартная модель применяется даже к физике частиц. Во всяком случае должна.
Эксперимент LHCb, который функционирует в рамках работы Большого адронного коллайдера в ЦЕРНе, показал любопытные аномалии в распаде некоторых частиц. Если эта информация подтвердится, мы получим новые физические явления, не предсказанные Стандартной моделью физики частиц. Наблюдаемый сигнал все еще имеет слабую статистическую значимость, но усиливает аналогичные показания из предыдущих исследований. Предстоящие данные и последующие анализы позволят установить, действительно ли эти намеки являются трещинами в Стандартной модели или статистическими флуктуациями, как это иногда бывает.
Давным-давно физики идентифицировали и категоризировали компоненты видимой Вселенной. До недавних пор 16 частиц составляли все в известном нам мире. Но теперь, благодаря усилиям физиков, работающих в CERN с Большим адронным коллайдером, мы добавили другую частицу, бозон Хиггса, в Стандартную модель физики. Тем не менее существует целый скрытый — или темный — аспект физики и нашего природного мира, который Стандартная модель не может объяснить даже в присутствии бозона Хиггса. Говоря откровенно, всей видимой материи недостаточно, чтобы объяснить то поведение Вселенной, которое мы наблюдаем.
Физика уже заждалась своей давно запланированной встречи с будущим — опять и снова, снова и опять кое-кто опаздывает. Самые последние, самые чувствительные поиски частиц, из которых, как мы думаем, могла бы состоять темная материя — невидимая субстанция, на которую приходится 85% массы в космосе — ни к чему не привели. Вимпы (WIMP, слабо взаимодействующие массивные частицы), эти крошечные субатомные частицы, прячутся лучше, чем думали физики, когда более 30 лет назад предсказывали их существование. Либо их не существует, что будет означать наше глубокое непонимание Вселенной. Многие ученые до сих пор питают надежду, что обновленные версии экспериментов по поиску вимпов их, наконец, найдут. Другие же усомнились в самом сердце тьмы и начинают подумывать о том, что пора выбросить на свалку истории наши представления о темной материи.
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.
Подтверждено официально: намеки, указывающие на возможную экзотическую новую частицу на Большом адронном коллайдере в Швейцарии, испарились. Об этом заявили вчера на конференции физиков в Чикаго. Все началось в декабре прошлого года, когда физики двух коллабораций БАК объявили, что нашли загадочные следы экзотической частицы, не предсказанной Стандартной моделью физики элементарных частиц — возможно, более тяжелого братца бозона Хиггса или неуловимого гравитона, квантового переносчика гравитации. Ни одна из групп не смогла привести достаточно веские доказательства открытия, но обе сообщили об обнаружении сигнала на одном и том же участке в данных. В попытке объяснить возможную частицу, работы ученых полились рекой.
Шел 2016 год, физики работали не покладая рук. Четыре года назад БАК подтвердил существование бозона Хиггса, предсказанного Стандартной моделью. Все шло к тому, что БАК должен найти и другие новые частицы — сама природа, казалось, требовала их. Но все данные, собранные учеными, лишь разбивали их мечты в пух и прах. Стандартная модель и общая теория относительности работают прекрасно, но физики чувствуют, что где-то есть подвох. Они думают, что эти теории неполные, не соотносятся одна с другой и порой приводят к парадоксам, лечения которым еще не нашли. Должно быть что-то еще. Но где искать?
В конце прошлого года два разных инструмента на массивном субатомном ускорителе частиц, который нам известен как Большой адронный коллайдер (БАК), кое-что увидели. Никто не знает, чем был обусловлен всплеск данных — он взялся из пар протонов, которые сталкивались в детекторах в одно время с одной энергией. Изучая подобные столкновения в обратном направлении, физики выясняют подробности смерти и распада частиц покрупнее. Обычно.
«Большой Взрыв — начало Вселенной — произвел вещество и антивещество в равных количествах. Но наш нынешний мир на это не похож. Антивещество чрезвычайно редкое. Это огромная загадка, — говорит Айхон Тан, физик из Брухейвена, участвующий в анализе данных, собранных детектором STAR коллайдера релятивистских ионов (RHIC). — И хотя эта загадка была известна десятилетиями, она и по сей день остается одной из крупнейших проблем науки, возникало мало догадок на эту тему. Все, что мы узнаем о природе антивещества, может теоретически внести вклад в разрешение этой задачи».
Термины, описывающие странный мир квантовой физики, стали довольно распространенными в нашем лексиконе. Кто, к примеру, не слышал о кварках, глюонах или о коте Шредингера? Вот вам еще одно название, которое нужно запомнить: глюоний. Эта долгожданная экзотическая частица, которую, по сообщениям, обнаружили ученые Венского технологического университета, отличается тем, что состоит полностью из глюонов. Другими словами, глюоний — это частица, состоящая из чистой силы.
На днях теория суперсимметрии получила еще один удар от Большого адронного коллайдера (БАК). Новые данные сверхскоростного столкновения протонов представили новые доказательства субатомной деятельности, которые согласуются с основой Стандартной модели физики элементарных частиц.
Ученые предположили, что темная материя может быть своеобразной невидимой и неосязаемой версией пионов, типа мезона — категории частиц, состоящих из кварков и антикварков. Темная материя — это загадочная субстанция, которая, по мнению космологов, составляет около 85% всей материи во Вселенной. Согласно новой теории, темная материя может напоминать уже известные частицы. Если она подтвердится, это может открыть окно в мир физики невидимой темной материи.
Стандартную модель физики частиц иногда называют «теорией почти всего». Это лучший набор уравнений на сегодняшний день, описывающий фундаментальные частицы Вселенной и то, как они взаимодействуют. Тем не менее у этой теории есть бреши. Она не дает адекватного объяснения гравитации, не может объяснить асимметрию материи и антиматерии в юной Вселенной; частицы темной материи или темная энергия для нее вообще не существует.