Создавая серьезную проблему для физики элементарных частиц, частица весит больше, чем ожидалось.

Модель, которую мы используем для понимания фундаментальных частиц Вселенной, немного похожа на коробку передач: одно крошечное изменение свойств любой отдельной частицы также отбрасывает механику других частиц.

Поэтому, когда выходит статья, в которой обнаруживается, что масса одной фундаментальной частицы немного отличается от того, что считалось ранее, это не просто вызывает недоумение в мире физики. Если это правда, такое открытие означало бы, что фундаментальная физика «неправильная» в каком-то пока еще неустановленном смысле, и потрясло бы физику элементарных частиц на десятилетия вперед.

Наше понимание фундаментальных частиц, известное как Стандартная модель физики элементарных частиц, является одним из самых выдающихся достижений человечества за последние 150 лет. Тысячам физиков и инженеров понадобилось более века, чтобы собрать воедино все части, начиная с открытия электрона в 1897 году и заканчивая открытием давно теоретизированного бозона Хиггса в 2012 году.

Ранее в этом месяце, после 20 лет анализа, ученые из Collider Detector в Фермилабе (CDF) объявили, что провели самое точное измерение массы W-бозона. После миллионов проб и наблюдений измерение их массы оказалось равным 1,43385738 × 10-22 грамм. (Звучит легко, но тяжелее, чем должно быть.)

Точность измерения одной из частиц, несущих силу в природе, поразительна: ученые говорят, что пересмотренная масса частицы имеет точность 0,01%, что в два раза превышает точность предыдущего лучшего измерения. Результаты были опубликованы в журнале Science.

СВЯЗАННЫЙ: Почему некоторые физики скептически относятся к эксперименту с мюоном, который намекает на «новую физику»

Но есть одна большая проблема: это измерение противоречит значению, которое ученые используют в теоретических исходных данных для Стандартной модели. Другими словами, если это правда, то измерение массы предполагает, что Стандартная модель физики — которая является золотым стандартом теории, объясняющей четыре известные силы во Вселенной и все фундаментальные частицы — находится на шатком основании.

В отличие от других фундаментальных частиц, таких как кварки, электроны и фотоны, бозон W не является частицей, о которой обычно узнают в начальной школе. Тем не менее, как и эти частицы, он имеет фундаментальное значение для состава материи во Вселенной. Бозон W является частицей-посредником в так называемом «слабом ядерном взаимодействии», которое является частью четырех известных фундаментальных взаимодействий в физике элементарных частиц; остальные — электромагнетизм, сильное взаимодействие и гравитация. В то время как электромагнитное взаимодействие и гравитация являются общими для человеческих взаимодействий и повседневной жизни, а сильное взаимодействие — это то, что связывает атомные ядра вместе, слабое взаимодействие не так явно заметно. Тем не менее слабое взаимодействие подразумевает радиоактивный распад атомов и так же необходимо, как и другие взаимодействия, для того, как наша Вселенная выглядит сегодня, как и любая из трех других сил. А слабое взаимодействие не может произойти без помощи W-бозона.

Чтобы провести новое измерение массы бозона W, исследователи использовали данные о столкновениях из Национальной ускорительной лаборатории Ферми, ныне не работающего ускорителя частиц в Иллинойсе. Ускоритель частиц Фермилаб сбрасывает протоны и антипротоны друг в друга с околосветовой скоростью и внимательно наблюдает за взрывом энергичных частиц, приводящим к последствиям, а затем экстраполирует их характеристики.

За время работы ускорителю удалось синтезировать четыре миллиона кандидатов в W-бозоны, свойства которых измерялись снова и снова. Путем обширных вычислений ученые пришли к своему измерению, которое имеет точность до семи стандартных отклонений, что намного превышает пять стандартных отклонений, которые дают статистический результат золотого стандарта.

«Мы приняли во внимание наше лучшее понимание нашего детектора частиц, а также достижения в теоретическом и экспериментальном понимании взаимодействия бозона W с другими частицами. Когда мы наконец обнародовали результат, мы обнаружили, что он отличается от предсказания Стандартной модели».

«Количество улучшений и дополнительных проверок, которые вошли в наш результат, огромно», — сказал в пресс-релизе Ашутош В. Котвал из Университета Дьюка, который руководил анализом и является одним из 400 ученых в сотрудничестве CDF. «Мы приняли во внимание наше лучшее понимание нашего детектора частиц, а также достижения в теоретическом и экспериментальном понимании взаимодействия бозона W с другими частицами. Когда мы наконец обнародовали результат, мы обнаружили, что он отличается от предсказания Стандартной модели».

Разница? Новые измерения показывают, что масса бозона W примерно на одну десятую процента больше, чем предполагалось и предполагалось ранее. Это кажется небольшим, но этого достаточно, чтобы создать большую проблему для физики элементарных частиц — если это правда.

Шумм сказал, что в новом измерении массы W-бозона «недостаточно дымящегося пистолета».

«Тот факт, что измеренная масса бозона W не соответствует предсказанной массе в рамках Стандартной модели, может означать три вещи. Либо математика неверна, либо измерения неверны, либо в Стандартной модели чего-то не хватает», — пишет high. – физик энергетических частиц Джон Конвей в «Разговоре».

Другими словами, внесение любых изменений в Стандартную модель не просто повлияет на Стандартную модель — это может встряхнуть всю физику и наше понимание Вселенной.

«Теперь дело за сообществом теоретической физики и другими экспериментами, чтобы пролить свет на эту загадку», — сказал в заявлении для прессы сопредседатель CDF Дэвид Тобак. «Если разница между экспериментальным и ожидаемым значением связана с каким-то новым взаимодействием частиц или субатомов, что является одной из возможностей, есть большая вероятность, что это что-то, что можно будет обнаружить в будущих экспериментах».

Стандартная модель оказалась невероятно успешной в предсказании свойств составляющих ее частиц и даже свойств ранее невидимых частиц. Из-за его замечательного пророческого характера физики стремятся найти дыры, которые могут привести к новым открытиям и новой физике. Действительно, как сообщил Салон в 2021 году, эксперимент Фермилаб Мюон g-2 дал причудливые результаты, которые немного отличались от того, что прогнозировала Стандартная модель, хотя эти результаты не совсем превзошли «золотой стандарт» с 5 стандартными отклонениями, который сделал бы их окончательными. .


Хотите получать больше историй о здоровье и науке в своем почтовом ящике? Подпишитесь на еженедельную рассылку Салона The Vulgar Scientist.


Но когда дело доходит до проведения таких точных измерений с такой малой погрешностью, некоторые физики говорят, что в равной степени вероятно, что эксперимент имеет недостатки, а не Стандартная модель.

«Точность — это размер неопределенности, а точность — это размер потенциальной ошибки», — сказал Шумм. «У вас может быть что-то очень, очень точное, но совершенно неправильное».

«Вы можете спросить: «Может ли это быть экспериментальным эффектом, экспериментальной ошибкой, и может ли калибровка быть источником этого? Ну, это одна из нескольких возможностей», — Брюс Шумм, профессор физики Калифорнийского университета. Об этом рассказал Санта-Крус, автор популярной книги по физике элементарных частиц. «Если разница [in mass] является ошибкой, возможно, да, калибровка детектора является весьма вероятным источником этой ошибки, этой ошибки».

Шумм сказал, что важно различать точность и точностьотметив, что можно сделать неточное измерение очень точно.

«Точность — это размер неопределенности, а точность — это размер потенциальной ошибки», — сказал Шумм. «У вас может быть что-то очень, очень точное, но совершенно неправильное».

Шумм сказал, что в новом измерении массы W-бозона с помощью CDF «упущено неопровержимое доказательство» — в частности, четко идентифицированная причина, по которой другие измерения из разных экспериментов расходятся с результатом CDF для массы W-бозона.

«Вполне возможно, что во всех других измерениях чего-то не хватает, а измерение CDF сделано более тщательно и дает правильный ответ», — сказал Шумм. «Но я думаю, что, по всей вероятности, либо результат CDF неверен, либо совокупность других результатов неверна».

Ранее Шумм сказал Салону, что говорить о том, что Стандартная модель когда-либо будет полностью переписана или отменена, было бы «чрезмерным драматизмом».

«Стандартная модель всегда, со дня ее изобретения, считалась так называемой «эффективной теорией», — сказал Шумм. Он сравнил Стандартную модель с «верхушкой айсберга», в которой верхушка наблюдается и хорошо понимается, даже если мы не знаем полностью, что лежит под водой. «Я бы поставил любую сумму денег [the Standard Model] никогда не будет свергнута как представление этой верхушки айсберга», — размышлял он.

Подробнее о физике элементарных частиц:

Leave a Comment