Физиците може да са открили „нова сила на природата“ в LHC експеримент

Визуализация на LHCb експеримент. (CERN)

Големият адронен колайдер (LHC) предизвика световно вълнение през март, след като физиците на елементарните частици съобщиха дразнещи доказателства за нова физика – потенциално нова природна сила.

Сега, новият ни резултат , който предстои да бъде прегледан от партньори, от огромния колайдер на частици на CERN изглежда добавя допълнителна подкрепа към идеята.

Нашата текуща най-добра теория за частиците и силите е известна като стандартен модел , който описва всичко, което знаем за физическите неща, които изграждат света около нас с безпогрешна точност.

The стандартен модел без съмнение е най-успешната научна теория, писана някога, но в същото време знаем, че трябва да е непълна.

Известно е, че описва само три от четири фундаментални сили – електромагнитната сила и силните и слабите сили, без гравитацията. Няма обяснение за тъмна материя което астрономията ни казва, че доминира във Вселената и не може да обясни как материята е оцеляла по време на Голям взрив .

LHCb експеримент. (CERN)

Поради това повечето физици са уверени, че трябва да има още космически съставки, които тепърва ще бъдат открити, и изучаването на различни фундаментални частици, известни като кварки за красота, е особено обещаващ начин да се получат намеци за това какво друго може да има там.

Кварките на красотата, понякога наричани дънни кварки, са фундаментални частици , които от своя страна образуват по-големи частици. Има шест вкуса на кварките, които се наричат ​​нагоре, надолу, странно, чар, красота/отдолу и истина/отгоре. Кварките нагоре и надолу, например, изграждат протоните и неутроните в атомното ядро.

Кварките на красотата са нестабилни, живеят средно само около 1,5 трилиона от секундата, преди да се разпаднат в други частици. Начинът, по който се разпадат кварките на красотата, може да бъде силно повлиян от съществуването на други фундаментални частици или сили.

Когато красивият кварк се разпада, той се трансформира в набор от по-леки частици, като електрони, чрез влиянието на слабата сила. Един от начините, по които една нова природна сила може да ни се представи, е като фино промени колко често кварките на красотата се разпадат на различни видове частици.

Докладът от март се основава на данни от експеримента LHCb, един от четирите детектора на гигантски частици, които записват резултата от ултрависокоенергийните сблъсъци, произведени от LHC. („b“ в LHCb означава „красота“.)

Той установи, че кварките за красота се разпадат на електрони и техните по-тежки братовчеди, наречени мюони, с различни скорости. Това беше наистина изненадващо, защото според стандартния модел, мюонът е основно въглеродно копие на електрона – идентичен по всякакъв начин, освен че е около 200 пъти по-тежък.

Това означава, че всички сили трябва да дърпат електрони и мюони с еднаква сила – когато красивият кварк се разпада на електрони или мюони чрез слабата сила, той трябва да прави това еднакво често.

Вместо това моите колеги откриха, че мюонният разпад се случва само около 85 процента толкова често, колкото и електронният разпад. Ако приемем, че резултатът е правилен, единственият начин да се обясни подобен ефект би бил, ако някаква нова природна сила, която привлича електрони и мюони по различен начин, се намесва в начина, по който се разпадат кварките на красотата.

Резултатът предизвика огромно вълнение сред физиците на елементарните частици. От десетилетия търсим знаци за нещо извън стандартния модел и въпреки десет години работа в LHC, досега не е намерено нищо убедително.

Така че откриването на нова природна сила би било огромна сделка и най-накрая би могло да отвори вратата към отговорите на някои от най-дълбоките мистерии, пред които е изправена съвременната наука.

Нови резултати

Въпреки че резултатът беше изкушаващ, той не беше убедителен. Всички измервания идват с известна степен на несигурност или „грешка“. В този случай имаше шанс само около едно на 1000 резултатът да се дължи на случайно статистическо колебание – или „три сигма“, както казваме на езика на физиката на елементарните частици.

Едно на 1000 може да не звучи много, но ние правим много голям брой измервания във физиката на елементарните частици, така че може да очаквате малка шепа да изхвърлят отклонения само по случаен случай.

За да сме наистина сигурни, че ефектът е реален, ще трябва да стигнем до пет сигма – което съответства на по-малко от едно на милион шанс ефектът да се сведе до жестока статистическа случайност.

За да стигнем до там, трябва да намалим размера на грешката и за да направим това, се нуждаем от повече данни. Един от начините да постигнете това е просто да проведете експеримента за по-дълго време и да запишете повече разпадания.

Експериментът LHCb е в момента се надграждат да можем да записваме сблъсъци с много по-висока скорост в бъдеще, което ще ни позволи да правим много по-прецизни измервания. Но също така можем да извлечем полезна информация от данните, които вече сме записали, като търсим подобни типове разпади, които са по-трудни за забелязване.

Това сме направили аз и моите колеги. Строго погледнато, ние всъщност никога не изучаваме прякото разпадане на красивия кварк, тъй като всички кварки винаги са свързани заедно с други кварки, за да образуват по-големи частици.

Проучването от март разглежда кварките за красота, които са били съчетани с кварки 'нагоре'. Нашият резултат изследва два разпада: единият, при който красивите кварки, които са били сдвоени с „долни“ кварки, и друг, където те също са били сдвоени с възходящи кварки.

Това, че сдвояването е различно обаче, не би трябвало да има значение – разпадането, което се случва дълбоко в нас, е същото и бихме очаквали да видим същия ефект, ако наистина има нова сила там.

И точно това видяхме. Този път мюонните разпади се случваха само около 70 процента толкова често, колкото и електроните, но с по-голяма грешка, което означава, че резултатът е около „две сигми“ от стандартния модел (около две на сто шанс да бъде статистически аномалия).

Това означава, че въпреки че резултатът не е достатъчно прецизен сам по себе си, за да претендира за категорични доказателства за нова сила, той се подрежда много близо до предишния резултат и добавя допълнителна подкрепа към идеята, че може да сме на ръба на голяма пробив.

Разбира се, трябва да сме предпазливи. Трябва да извървим още много време, преди да можем да твърдим с известна степен на сигурност, че наистина виждаме влиянието на петата сила на природата.

Моите колеги в момента работят усилено, за да изтръгнат възможно най-много информация от съществуващите данни, докато усърдно се подготвят за първото изпълнение на надградения експеримент LHCb.

Междувременно други експерименти в LHC, както и в Експеримент Belle 2 в Япония , се доближават до същите измервания. Вълнуващо е да се мисли, че през следващите няколко месеца или години може да се отвори нов прозорец към най-фундаменталните съставки на нашата Вселена.

Хари Клиф , физик на елементарните частици, Кеймбриджкия университет .

Тази статия е препубликувана от Разговорът под лиценз Creative Commons. Прочетете оригинална статия .

За Нас

Публикуването На Независими, Доказани Факти От Доклади За Здравето, Пространството, Природата, Технологиите И Околната Среда.