Standartinis dalelių fizikos modelis gali būti pažeistas – aiškina ekspertas


Kaip fizikas, dirbantis dideliame hadronų greitintuve (LHC) Cerne, vienas dažniausiai man užduodamų klausimų yra „Kada ką nors surasi? Atsispirdamas pagundai sarkastiškai atsakyti „Neskaitant Higgso bozono, kuris pelnė Nobelio premiją, ir daugybę naujų sudėtinių dalelių?“, suprantu, kad taip dažnai kyla klausimas dėl to, kaip mes vaizdavome pažangą dalelių fizika platesniam pasauliui.

Mes dažnai kalbame apie pažangą atrandant naujas daleles, ir taip dažnai būna. Naujos, labai sunkios dalelės tyrimas padeda mums pamatyti pagrindinius fizinius procesus – dažnai be erzinančio foninio triukšmo. Tai leidžia lengvai paaiškinti atradimo vertę visuomenei ir politikams.

Tačiau pastaruoju metu daugybė tikslių jau žinomų, pelkių standartų dalelių ir procesų matavimų grasino supurtyti fiziką. Ir LHC ruošiasi bėgti esant didesnei energijai ir intensyvumui nei bet kada anksčiau, laikas pradėti plačiai diskutuoti apie pasekmes.

Tiesą sakant, dalelių fizika visada vyko dviem būdais, iš kurių vienas yra naujos dalelės. Kitas – atlikti labai tikslius matavimus, kurie tikrina teorijų prognozes ir ieško nukrypimų nuo to, ko tikimasi.

Pavyzdžiui, ankstyvieji Einšteino bendrosios reliatyvumo teorijos įrodymai buvo aptikti nedidelių nukrypimų matomose žvaigždžių padėtyse ir Merkurijaus judėjimo orbitoje.

Trys pagrindiniai atradimai

Dalelės paklūsta priešingai intuityviai, bet labai sėkmingai teorijai, vadinamai kvantine mechanika. Ši teorija rodo, kad dalelės, kurios yra per didelės, kad jas būtų galima susidaryti tiesiogiai laboratorijos susidūrimo metu, vis tiek gali turėti įtakos kitų dalelių veikimui (tai vadinama „kvantiniais svyravimais“). Tačiau tokio poveikio matavimai yra labai sudėtingi ir daug sunkiau paaiškinami visuomenei.

Tačiau naujausi rezultatai, liudijantys apie nepaaiškinamą naują fiziką, viršijančią standartinį modelį, yra šio antrojo tipo. Detalus LHCb eksperimento tyrimai išsiaiškino, kad dalelė, žinoma kaip grožio kvarkas (kvarkai sudaro atomo branduolyje esančius protonus ir neutronus), daug dažniau „skyla“ (byra) į elektroną nei į miuoną – elektrono sunkesnį, bet šiaip identišką brolį. Pagal standartinį modelį taip neturėtų būti – tai rodo, kad procesą gali paveikti naujos dalelės ar net gamtos jėgos.

LHCb eksperimento vaizdas.
LHCb eksperimentas.
Cern

Tačiau įdomu tai, kad panašių procesų, kuriuose dalyvauja „viršutiniai kvarkai“, matavimai iš ATLAS eksperimento LHC rodo šį skilimą. vyksta vienodais tempais elektronams ir miuonams.

Tuo tarpu Muon g-2 eksperimentas Fermilab mieste JAV neseniai buvo atliktas labai tikslūs tyrimai apie tai, kaip miuonai „svyruoja“, kai jų „sukimas“ (kvantinė savybė) sąveikauja su aplinkiniais magnetiniais laukais. Jis nustatė nedidelį, bet reikšmingą nukrypimą nuo kai kurių teorinių prognozių – tai vėlgi rodo, kad gali veikti nežinomos jėgos ar dalelės.

The naujausias stebinantis rezultatas yra pagrindinės dalelės masės matavimas W bozonas, kuri neša silpną branduolinę jėgą, kuri valdo radioaktyvų skilimą. Po daugelio metų duomenų rinkimo ir analizės eksperimentas, taip pat Fermilab, rodo, kad jis yra daug sunkesnis, nei prognozuoja teorija – nukrypstama tokiu kiekiu, kuris neatsitiktų atsitiktinai atliekant daugiau nei milijoną milijonų eksperimentų. Vėlgi, gali būti, kad jos masę papildo dar neatrastos dalelės.

Tačiau įdomu tai, kad tai taip pat nesutinka su kai kuriais mažesnio tikslumo LHC matavimais (pateikta Šis tyrimas ir šitas).

Nuosprendis

Nors nesame visiškai tikri, kad šiems poveikiams reikia naujo paaiškinimo, atrodo, kad vis daugėja įrodymų, kad reikia naujos fizikos.

Žinoma, šiems pastebėjimams paaiškinti bus pasiūlyta beveik tiek pat naujų mechanizmų, kiek yra teoretikų. Daugelis ieškos įvairių formųsupersimetrija“. Tai yra idėja, kad standartiniame modelyje yra dvigubai daugiau pagrindinių dalelių, nei manėme, o kiekviena dalelė turi „super partnerį“. Tai gali apimti papildomus Higso bozonus (susijusius su lauku, kuris suteikia pagrindinių dalelių masę).

Kiti peržengs tai, remdamiesi ne taip neseniai madingomis idėjomis, tokiomis kaip „techninė spalva“, o tai reikštų, kad yra papildomų gamtos jėgų (be gravitacijos, elektromagnetizmo ir silpnų bei stiprių branduolinių jėgų), ir gali reikšti, kad Higso bozonas iš tikrųjų yra sudėtinis objektas, sudarytas iš kitų dalelių. Tik eksperimentai atskleis tiesą – tai gera žinia eksperimentatoriams.

Visos eksperimentinės komandos, už naujos išvados, yra gerbiamos ir ilgą laiką dirbo su problemomis. Be to, jiems nėra jokios nepagarbos pastebėjus, kad šiuos matavimus atlikti labai sunku. Be to, standartinio modelio prognozėms paprastai reikia atlikti skaičiavimus, kai reikia atlikti aproksimaciją. Tai reiškia, kad skirtingi teoretikai gali numatyti šiek tiek skirtingą skilimo masę ir greitį, priklausomai nuo prielaidų ir padaryto aproksimavimo lygio. Taigi, gali būti, kad kai atliksime tikslesnius skaičiavimus, kai kurios naujos išvados atitiks standartinį modelį.

Taip pat gali būti, kad mokslininkai naudoja subtiliai skirtingas interpretacijas ir taip randa nenuoseklius rezultatus. Palyginus du eksperimentinius rezultatus, reikia atidžiai patikrinti, ar abiem atvejais buvo naudojamas toks pat aproksimacijos lygis.

Tai abu yra „sistemingo neapibrėžtumo“ šaltinių pavyzdžiai, ir nors visi suinteresuoti asmenys daro viską, ką gali, kad juos kiekybiškai įvertintų, gali kilti nenumatytų komplikacijų, dėl kurių jie neįvertinami arba pervertinami.

Dėl to dabartiniai rezultatai netampa mažiau įdomūs ar svarbūs. Rezultatai rodo, kad yra keli būdai gilesniam naujosios fizikos supratimui ir juos visus reikia ištirti.

Iš naujo paleidus LHC, vis dar yra tikimybė, kad retesnių procesų metu bus sukurtos naujos dalelės arba jos bus paslėptos po fonais, kurių dar turime atkasti.