Вимірювання з ЦЕРНу вказують на можливість появи нової фізики

Нова квантова фізика?

В середині-кінці двадцятого століття квантові фізики відокремили єдину теорію фізики, запропоновану теорією відносності Ейнштейна. Фізика великого була підпорядкована гравітації, але тільки квантова фізика могла описувати спостереження малих. З тих пір теоретична буксир-війна між гравітацією і трьома іншими фундаментальними силами тривала, так як фізики намагаються розширити гравітацію або квантову фізику, щоб використовувати іншу як більш фундаментальну.

Недавні вимірювання Великого адронного коллайдера показують невідповідність прогнозами Стандартної моделі, які можуть натякати на абсолютно нові сфери Всесвіту, що лежать в основі того, що описано квантовою фізикою. Хоча для підтвердження цих аномалій потрібні повторні тести, підтвердження означатиме поворотний момент в нашому найфундаментальнішому описі фізики частинок на сьогоднішній день.

Квантові фізики виявили в недавньому дослідженні, що мезони не розпадаються на Куон і мюонні частки досить часто, згідно прогнозам стандартної моделі частоти. Автори згодні з тим, що посилення сили Великого адронного коллайдера (LHC) покаже новий тип частинок, відповідальний за цю невідповідність. Хоча помилки в даних або теорії, можливо, викликали невідповідність, а не нову частинку, покращений LHC виявиться благом для декількох проектів на передньому краї фізики.

Стандартна модель

Стандартна модель - це добре зарекомендувала себе фундаментальна теорія квантової фізики, яка описує три з чотирьох фундаментальних сил, які, як вважають, керують нашим фізичною реальністю. Квантові частинки зустрічаються в двох основних типах: кварках і лептони. Кварки об'єднуються в різних комбінаціях для створення частинок, таких як протони нейтронів. Ми знайомі з протонами, нейтронами і електронами, тому що вони є будівельними блоками атомів.

«лептонів сімейство» містить більш важкі версії електрона - подібно мюонів - і кварки можуть зливатися в сотні інших складових частинок. Два з них, нижні і каонов мезони, були винуватцями цієї квантової таємниці. Нижній мезон (В) розпадається на каонов мезон (К), супроводжуваний мюонною (мю) і анти-мюонною (му +) часткою.

Аномалія

Вони виявили дисперсію 2,5 сигма або ймовірність 1 з 80 », що означає, що при відсутності несподіваних ефектів, тобто нової фізики, розподіл, більш девіантна, ніж спостерігається, буде проводитися приблизно в 1,25 відсотка випадків», професор Спенсер Клейн, старший науковий співробітник Національної лабораторії Лоуренса Берклі, розповів футуризму. Клейн не брав участі в дослідженні.

Це означає, що частота загасання мезонів в дивні кварки при випробуваннях на протон-зіткнення LHC трохи нижче очікуваної частоти. «Напруга тут полягає в тому, що з 2,5 сигма [або стандартним відхиленням від нормального розпаду], або дані трохи розряджені, теорія трохи вимкнена, або це натяк на щось понад стандартного модель", сказав Клейн. «Я б сказав , наївно, один з перших двох правильний ».

Для Klein ця дисперсія неминуча, з огляду на великий обсяг даних, які виконуються комп'ютерами для операцій LHC. «З чисельними наборами даних від Petabyte (1015 bytes) від LHC і з сучасними комп'ютерами ми можемо виробляти дуже велика кількість вимірювань різних величин», - сказав Клейн. «LHC справила багато сотень результатів. За статистикою, деякі з них, як очікується, будуть демонструвати 2,5 сигма-коливання ». Клейн відзначив, що фізики частинок зазвичай чекають коливання 5-сигма до плаче вовка, що відповідає приблизно 1-в-3,5 мільйонам коливань даних.

Зображення: Лора Гилкрист

Ці останні аномальні спостереження не існують у вакуумі. «Цікавий аспект двох взятих в сукупності полягає в тому, наскільки вони узгоджуються з іншими аномальними вимірами процесів за участю B-мезонів, які були зроблені в попередні роки», - д-р Тевун Ви, співавтор дослідження і молодшого наукового співробітника в теоретичному фізика в коледжі Гонвілл і Кая, Кембриджський університет, розповіла футуризму. «Ці незалежні вимірювання були менш чистими, але більш значними. В цілому, можливість вимірювати ці різні речі і все їх відхилення від стандартної моделі узгодженим чином наближається до ймовірності 1 на 16000, або 4 сигма, - сказав Тевонг.

Розширення стандартної моделі

Забороняючи статистичні або теоретичні помилки, Тевун підозрює, що аномалії маскують присутність абсолютно нових частинок, званих лептокваркамі або Z-первинними частинками. Усередині нижніх мезонів квантові порушення нових частинок можуть заважати нормальній частоті розпаду. У дослідженні дослідники прийшли до висновку, що модернізований LHC може підтвердити існування нових частинок, зробивши суттєве оновлення стандартної моделі в процесі.

«Це було б революційним для нашого фундаментального розуміння всесвіту», - сказав Тевонг. «Для фізики частинок [...] це буде означати, що ми відриваємо ще один шар Природи і продовжуємо подорож по виявленню найелементарніших будівельних блоків. Це буде мати значення для космології, оскільки воно спирається на наші фундаментальні теорії для розуміння раннього всесвіту », - додав він. «Взаємодія між космологією і фізикою частинок було дуже плідним в минулому. Що стосується темної матерії, якщо вона виникає з того ж нового фізичного сектора, в який вбудований Zprime або leptoquark, то ми також можемо знайти ознаки цього, коли ми досліджуємо цей новий сектор».

Сила знання

До сих пір вчені з LHC спостерігали тільки примари і аномалії, що натякають на частинки, які існують на більш високих рівнях енергії. Щоб довести своє існування, фізики «повинні підтвердити непрямі ознаки [...], а це значить бути терплячим, в той час як експеримент LHCb збирає більше даних про B-розпаді, щоб зробити більш точне вимірювання», - сказав Тевунг. «Ми також отримаємо незалежне підтвердження іншим експериментом Belle II, який повинен з'явитися в мережі в найближчі кілька років. Зрештою, якщо вимір B-розпадів все ще не узгоджується з передбаченнями Стандартної моделі, то ми можемо бути впевнені, що щось поза Стандартної моделі повинно бути відповідальним, і це буде вказувати на лептокваркі або частки Zprime як пояснення», - сказав він доданий.

Щоб встановити своє існування, фізики тоді будуть прагнути виробляти частки в коллайдерах однаково. Створюються нижні мезони або бозони Хіггса і спостерігають їх розпад. «Нам потрібно вміти бачити лептокварк або Zprime через зіткнення LHC», - сказав Тевун. «Той факт, що ми не бачили таких екзотичних частинок на LHC (поки), означає, що вони можуть бути дуже важкими, і для їх виробництва буде потрібно більше енергії. Це те, що ми оцінили в нашій статті: можливість безпосереднього виявлення лептокварков або частинок Zprime в майбутніх коллайдерах з більш високою енергією».

Квантовий стрибок для ВАКу

Пошук нових частинок в LHC - це не гра очікування. Імовірність спостереження нових явищ прямо пропорційна кількості нових частинок в зіткненнях. «Чим більше частинок з'являється, тим вище ймовірність виявити її серед багатьох інших фонових подій, що відбуваються під час цих зіткнень», - пояснив Тевонг. Для пошуку нових частинок він порівнює його з пошуком голки в стозі сіна; легше знайти голку, якщо стіг сіна заповнений ними, а не один. «Швидкість виробництва залежить від маси і муфт частинок: важчі частинки вимагають більше енергії для виробництва», - сказав він.

Зображення: highlander411

Ось чому Tevong і співавтори B.C. Allanach і Ben Gripaios рекомендують або подовжувати довжину петлі LHC, зменшуючи тим самим кількість магнітної потужності, необхідної для прискорення частинок, або замінюючи діючі магніти сильнішими.

Згідно Tevong, лабораторія CERN планує продовжувати експлуатацію LHC в нинішній конфігурації до середини 2030 х років. Згодом вони можуть модернізувати магніти LHC, що приблизно подвоює його силу. На додаток до надуманих магнітів, тунель міг бачити збільшення від нинішніх 27 до 100 км (від 17 до 62 миль). «Об'єднаний ефект [...] дасть приблизно в сім разів більше енергії, ніж LHC», - сказав Тевонг. «Шкала часу для завершення буде принаймні в 2040-х роках, хоча ще занадто рано робити будь-які значні прогнози».

Якщо підтверджені лептокварк або Z-аномалії, стандартна модель повинна змінитися, повторює Тевонг. «Досить імовірно, що він повинен змінитися в енергетичних масштабах, доступних для наступного покоління коллайдеров, що гарантувало б нам відповіді», - додав він. Відзначаючи, що немає ніякої інформації про те, що темна матерія має якийсь стосунок до фізики, що лежить в основі Zprimes або leptoquarks, найкраще, що ми можемо зробити, це знайти «якомога більше аномальних вимірювань, будь то на коллайдерах, експериментах з меншою фізикою частинок, пошуку темної матерії або космологічні і астрофізичні спостереження », - сказав він. «Тоді мрія полягає в тому, що ми зможемо сформувати зв'язку між різними аномаліями, які можуть бути пов'язані єдиної, витонченої теорією».

Література: Хранитель, arXiv.org