Переворот в физике. Одна из фундаментальных частиц тяжелее

Новое исследование показывает, что одна из фундаментальных частиц Вселенной тяжелее, чем думали ученые. Используя данные, собранные коллайдером частиц в Иллинойсе, ученые обнаружили, что частица W-бозон имеет значительно большую массу, чем указано в Стандартной модели физики элементарных частиц. Есть лишь крошечная разница в массе W-бозона по сравнению с тем, что говорит Стандартная модель — всего 0,1 процента. Но если это будет воспроизведено другими лабораториями, это означает, что что-то фундаментальное в нашем понимании природы и того, как работает Вселенная, неверно. Стандартная модель физики элементарных частиц — это лучшая теория, которой располагают ученые, чтобы описать самые основные строительные блоки Вселенной и силы, которыми они управляют. Однако новое измерение W-бозона — самое точное из когда-либо существовавших — прямо противоречит правилам Стандартной модели, согласно исследованию.

Бозон W, открытый в 1983 году, представляет собой электрически заряженную фундаментальную частицу, которая управляет так называемым слабым взаимодействием, одним из четырех фундаментальных взаимодействий в природе и, следовательно, одним из столпов Стандартной модели. Новое исследование было проведено в Fermilab, национальной лаборатории Министерства энергетики США, специализирующейся на физике частиц высоких энергий недалеко от Батавии, штат Иллинойс. Детектор коллайдера в Фермилабе (CDF) — это экспериментальное сотрудничество, которое изучает столкновения частиц от Тэватрона, одного из самых мощных в мире ускорителей частиц, путем столкновения частиц друг с другом на умопомрачительных скоростях. «Количество улучшений и дополнительных проверок, которые вошли в наш результат, огромно», — сказал профессор Ашутош Котвал из Университета Дьюка в Северной Каролине, который руководил этим анализом и является одним из примерно 400 ученых, участвующих в сотрудничестве CDF.

Профессор Котвал сказал, что им потребовалось более 10 лет, чтобы записать и тщательно изучить «набор данных о примерно 450 триллионах столкновений». «Мы приняли во внимание наше лучшее понимание нашего детектора частиц, а также достижения в теоретическом и экспериментальном понимании взаимодействия бозона W с другими частицами», — сказал он. «Когда мы, наконец, обнародовали результат, мы обнаружили, что он отличается от предсказания Стандартной модели». Ученые CDF заявляют, что теперь они определили массу частицы с точностью до 0,01% — вдвое точнее, чем в предыдущем лучшем измерении. Они сравнили это с измерением веса 350-килограммовой (800-фунтовой) гориллы с точностью до 40 граммов (1,5 унции). Они обнаружили, что предсказание Стандартной модели отличается на семь стандартных отклонений, которые также называются сигмой.

Гарри Клифф, специалист по физике элементарных частиц из Кембриджского университета, работающий на Большом адронном коллайдере в Европе, сказал, что если вы подбрасываете монетку, «шансы получить результат с пятью сигмами по глупой случайности составляют один к трем с половиной миллионам». «Если это правда, а не какая-то систематическая предвзятость или непонимание того, как проводить расчеты, то это огромная проблема, потому что это будет означать, что в нашей Вселенной есть новый фундаментальный ингредиент, который мы не открывали раньше», — сказал он. Однако он добавил, что «если вы собираетесь сказать что-то настолько важное, как мы нарушили Стандартную модель физики элементарных частиц, и есть новые частицы, которые нужно открыть, чтобы убедить людей в том, что вам, вероятно, потребуется более одного измерения из более одного измерения». Доктор Клифф сказал, что Стандартная модель — «вероятно, самая успешная теория и научная теория, которая когда-либо была написана — она может делать фантастически точные предсказания». Но если эти прогнозы окажутся неверными, их нельзя просто изменить.

«Это похоже на карточный домик, если вы слишком сильно потянете за одну его часть, все рухнет», — сказал Клифф агентству AFP. Стандартная модель не лишена недостатков — например, она не объясняет наличие темной материи, которая, как считается, составляет 95 % Вселенной. Представитель CDF Дэвид Тобак из Техасского университета A&M заявил, что результат является важным вкладом в проверку точности Стандартной модели. «Теперь задача сообщества физиков-теоретиков и других экспериментаторов — проследить за этим и пролить свет на эту тайну», — сказал он. «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». Тэватрон был ускорителем частиц с самой высокой энергией в мире до 2009 года, когда его вытеснил Большой адронный коллайдер недалеко от Женевы, который несколькими годами позже, как известно, наблюдал бозон Хиггса. Теватрон прекратил работу в 2011 году, но с тех пор ученые CDF обрабатывают цифры. Исследование опубликовано в журнале Science.

Источник