Oznaki „nowej fizyki” pojawiły się w dwóch głównych eksperymentach. Zderzacz Hadronów Tevatron zarejestrował cząstki tam, gdzie nie powinny, a eksperyment kosmiczny PAMELA odkrył ślady rozpadu cząstek ciemnej materii. Oba fakty dobrze pasują do teorii, że istnieje „ciemna siła”
Podczas gdy Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) przygotowuje się do naprawy po poważnej wrześniowej awarii, amerykański Tevatron, który przetrwał ostatnie miesiące jako najpotężniejszy akcelerator na planecie, zaskoczył fizyków. Pod koniec ubiegłego tygodnia współpracownicy CDF pracujący nad gigantycznym detektorem cząstek Tevatron o tej samej nazwie opublikowali przedruk opisujący coś, co wykracza poza niemal święty standardowy model cząstek elementarnych dla fizyków.
Jeśli okaże się, że ten sygnał nie jest jakimś nieuwzględnionym efektem tła, to odkrycie będzie pierwszym ziemskim dowodem ograniczeń modelu standardowego.
Ziemia w tym sensie, że astrofizycy od dawna znają ciemną materię i ciemną energię, które również nie pasują do Modelu Standardowego. To prawda, że praktycznie nic nie wiadomo o właściwościach cząstek tworzących ciemną materię.
Tevatron i dodatkowe miony
Za pomocą detektora CDF fizycy badają cząstki powstałe w wyniku zderzenia protonów - dodatnio naładowanych cząstek, które tworzą wszystkie jądra atomowe, oraz antyprotonów - ich ujemnie naładowanych antypodów. W akceleratorze Tevatron, jak sama nazwa wskazuje, cząstki te są przyspieszane do energii prawie 1 TeV, czyli 1000 GeV - tysiąc miliardów elektronowoltów, a energia zderzenia wynosi odpowiednio prawie 2000 GeV, co umożliwia produkcję różnorodnych, nawet bardzo masywnych cząstki elementarne.
Jednak nie jest nawet możliwe po prostu ustalenie istnienia większości interesujących nas cząstek. Z reguły są niestabilne i zamieniają się w kilka lżejszych cząstek w ułamku sekundy. To właśnie właściwości produktów rozpadu mierzone są przez detektor, a następnie fizycy, zgodnie ze znaną metaforą, „próbują odtworzyć strukturę mechanizmu zegarowego, badając fragmenty kół zębatych, które zderzyły się z prędkością bliską światła”.
Jednym z najpopularniejszych tego typu „kół zębatych” jest mion. Pod względem właściwości miony są bardzo podobne do zwykłych elektronów krążących wokół jąder atomowych. Jednak miony są znacznie masywniejsze i dlatego mają szczególną wartość dla fizyków doświadczalnych. Po pierwsze, trudniej jest ich „wprowadzić w błąd”, gdy napotkają protony i elektrony detektora, a po drugie, w samych zderzeniach rodzi się ich mniej i łatwiej jest dostrzec ich ślady w detektorze niż splątane trajektorie wielu elektronów.
Jedną z cząstek aktywnie badanych przy użyciu mionów jest tak zwany mezon B, który zawiera ciężki kwark b (lub antykwark).
I tutaj miony przez długi czas prowadziły eksperymentatorów za nos.
Teoria struktury i interakcji kwarków - chromodynamika kwantowa - pozwala obliczyć prawdopodobieństwo powstania mezonów B i ich udziału w różnych oddziaływaniach. W związku z tym można oszacować liczbę mionów, które powstaną podczas rozpadu tych cząstek. Jednak w eksperymencie wyprodukowano znacznie więcej mionów niż planowano. Ponadto inna metoda pomiaru właściwości mezonów B dała wyniki coraz lepiej zgodne z teorią. Tak więc eksperymentatorzy mieli coraz mniej powodów, by zarzucać teoretykom, że nie wiedzą, jak liczyć (a obliczenia w chromodynamice kwantowej są niezwykle trudne).
Przyczyna tych rozbieżności przez długi czas pozostawała tajemnicą, dopóki naukowcy nie odkryli, że niektóre miony, które fizycy przez długi czas brali jako produkty rozpadu mezonów B, w rzeczywistości nie miały z nimi nic wspólnego. Faktem jest, że mezon B żyje bardzo krótko i urodziwszy się w zderzeniu protonów i antyprotonów, udaje mu się odlecieć od osi rury próżniowej, w której dochodzi do zderzeń, tylko o 1–2 mm. Tutaj rozpada się na miony. Kiedy naukowcy zorientowali się, gdzie miony zarejestrował ich detektor, problem mezonów B został rozwiązany: jak się okazało, niektóre z nich wyrosły znacznie dalej od osi, a wkład tych „dodatkowych mionów” w ostateczny wynik dokładnie wyjaśnił rozbieżność z teorią.
Ale skąd pochodzą te „dodatkowe” miony?
Niektóre z nich pochodzą z 3 mm od osi, z piątej i siódmej; niektóre są całkowicie poza rurą próżniową, która tak naprawdę nie pasuje do żadnej bramy.
Z cząstkami tymi związane jest rodzące się fizyczne „odczucie”. To słowo, rzadkie dla czcigodnej nauki, właściwie charakteryzuje podekscytowanie teoretyków i eksperymentatorów w najlepszy możliwy sposób. Dyskusje na temat realności sygnałów znalezionych podczas współpracy CDF już szaleją na profesjonalnych blogach fizyków, a na stronie internetowej poświęconej przedrukom elektronicznym Uniwersytetu Cornell coraz więcej teoretycznych wyjaśnień tego, co widzieli, pojawiło się trzeci dzień z rzędu.
Nowe cząstki?
Zasadniczo może istnieć wiele różnych przyczyn pojawienia się niepotrzebnych lub, jak mówią fizycy, cząstek „tła”, a większość artykułu autorstwa współpracy CDF jest poświęcona analizie możliwych przyczyn pojawienia się sygnału, który nie odwołuje się do „nowej fizyki” poza standardem modele. Może nie wzięliśmy pod uwagę innych cząstek, z których powstają miony - na przykład promieni kosmicznych, a może dla mionów bierzemy inne produkty rozpadu cząstek urodzonych w Tevatronie? Wreszcie, może sygnały w samym detektorze, które bierzemy za ślady mionów, nie są takimi - szum, fluktuacje statystyczne, artefakty wściekłych metod matematycznego przetwarzania wyników eksperymentów?
Film promocyjny:
Zdaniem autorów ostatniej pracy nie udało im się znaleźć „standardowego” wyjaśnienia.
Należy zaznaczyć, że prawie jedna trzecia współpracowników - około 200 z 600 osób - odmówiła złożenia podpisów pod artykułem, który od prawie pół roku przechodził „audyt wewnętrzny”. Przez…
Wszystko wygląda tak, jakby udało im się znaleźć oznaki istnienia jakiejś nowej cząstki, która żyje znacznie dłużej niż mezon B i nie ma na nią miejsca w znanej nam fizyce. Jednak naukowcy wciąż powstrzymują się od takiego bezpośredniego stwierdzenia: daje się odczuć doświadczenie całego pokolenia fizyków, wciąż na nowo przekonanych o stosowalności modelu standardowego do pozornie zupełnie niewytłumaczalnych zjawisk. Nie sposób jednak po prostu zignorować prawie 100 tysięcy zdarzeń zarejestrowanych przez jeden z najlepszych instrumentów wciąż najpotężniejszego akceleratora na Ziemi.
Właściwości mionów „dodatkowych” są same w sobie niesamowite. Jednym z najbardziej uderzających jest to, że bardzo często rodziły się one w „stadach” - nie pojedynczo, ale dwie, trzy, a nawet osiem na raz. Ponadto z reguły od momentu narodzin nie odlatywały we wszystkich kierunkach, ale w przybliżeniu w tym samym kierunku - naukowcy używają nawet określenia „dżet mionowy”. A charakterystyczna energia nowej nieznanej cząstki - jeśli naprawdę istnieje - wynosi kilka GeV. Innymi słowy, „nowa fizyka” - jeśli naprawdę zaczniemy ją rozróżniać we mgle mionowej - zaczyna się od energii nie w tysiącach GeV, na które skierowane są potwory takie jak LHC, ale znacznie wcześniej.
Te właściwości w uderzający sposób przybliżają wyniki uzyskane z akceleratora naziemnego do danych opublikowanych zaledwie kilka dni wcześniej z kosmicznego detektora antycząstek PAMELA.
Ułamek pozytonowy jako funkcja energii // PAMELA Group, arXiv.org
Wyniki eksperymentu PAMELA
Międzynarodowy pojazd badawczy PAMELA na pokładzie rosyjskiego sztucznego satelity „Resurs-DK1” niezawodnie zarejestrował nadmiar wysokoenergetycznych pozytonów w przepływie naładowanej przestrzeni …
Według wielu astrofizyków nadmiar wysokoenergetycznych pozytonów (antycząstek do elektronów) w promieniowaniu kosmicznym powstaje w wyniku rozpadu lub anihilacji cząstek tajemniczej ciemnej materii. To kolejny element fizyki poza modelem standardowym, o którego istnieniu (a nawet dominacji masowej) astronomowie od dawna wiedzieli, ale nie mogą powiedzieć nic wartościowego: dlatego jest to ciemna materia, której nie widać, a jej obecność ujawnia się jedynie dzięki grawitacji.
Dark Power
Jak się okazało, kwartet teoretyków z Princeton, Harvardu i Nowego Jorku ma już wyjaśnienie wyników PAMELA, które przydały się wraz z nowymi danymi z Tevatron. Według Nimy Arkanihamed i jego współpracowników, w ramach ich modelu supersymetrycznego, uzyskuje się ujednolicone i naturalne wyjaśnienie nadmiaru pozytonów, wiarygodnie mierzonego przez aparat PAMELA, ledwo dostrzegalnego nadmiaru promieni gamma dochodzących pozornie znikąd oraz mglistego blasku centrum galaktyki w gamma i wiązki radiowe zarejestrowane przez inne satelity astrofizyczne.
Zgodnie z modelem cząstki ciemnej materii mają masę około 1000 GeV i nie uczestniczą w znanych nam interakcjach. Jednak oddziałują one na siebie za pomocą „ciemnej” siły o krótkim zasięgu, która jest przenoszona przez inną ciemną cząstkę o masie około 1 GeV. Innymi słowy, do trzech zwykłych rodzajów oddziaływań, działających tylko na zwykłą materię (elektromagnetyczną i jądrową, słabą i silną), dodaje się jeszcze jeden, który działa tylko w świecie ciemnej materii. Grawitacja jak zwykle wyróżnia się, łącząc oba światy.
Teoretycy potrzebowali „ciemnej” siły, aby związać cząstki ciemnej materii w rodzaj „atomów”, w których jedna z ciemnych cząstek ma ujemny „ciemny ładunek”, a druga dodatni „ciemny ładunek”. Dopiero powstanie „atomów” pozwala ciemnej materii unicestwić wystarczająco intensywnie, aby wyjaśnić wyniki obserwacji astrofizycznych (jest to tak zwany mechanizm Sommerfelda).
Jednak cząstka przenosząca siłę „ciemności” może już rozpadać się bezpośrednio z emisją zwykłych cząstek i to właśnie ta cząstka, według Arkanihameda i jego współpracowników, może być odpowiedzialna za pojawienie się „dodatkowych” mionów.
Co więcej, rozpad ciemnych cząstek naładowanych ciemnym ładunkiem w naturalny sposób przebiega kaskadowo, aż do momentu uderzenia w najjaśniejszą stabilną ciemną cząstkę, na którą nie ma się czego rozpadać. W każdym kroku tej kaskady pojawia się cząstka - nośnik ciemnej siły, dlatego na każdym kroku może pojawić się dodatkowy mion. Tyle o mionach w „paczkach”. Cóż, fakt, że wszystkie lecą w tym samym kierunku, wynika po prostu z tego, że rozkładająca się cząstka porusza się szybko - więc ładunki świątecznych fajerwerków, wybuchające przed osiągnięciem najwyższego punktu swojej trajektorii, wyrzucają do przodu całe fontanny jasnych świateł. Tyle na temat „odrzutowca”.
Jednak publikacja danych przez współpracę CDF i PAMELA niewątpliwie doprowadzi do pojawienia się dziesiątek, jeśli nie setek możliwych wyjaśnień w nadchodzących miesiącach. Więc może nie warto rozwodzić się nad modelem Arkanihameda. Jak dotąd wyróżnia ją tylko to, że okazała się być na sądzie przy interpretacji zarówno tych, jak i innych danych.
Oczywiście możliwe jest, że oba wyniki eksperymentów otrzymają bardziej trywialne wyjaśnienia. „Dodatkowe miony” mogą okazać się niczym innym jak nie uwzględnionym instrumentalnym efektem gigantycznej instalacji CDF, a „dodatkowe pozytrony” mogą być generowane w pobliżu gwiazd neutronowych w naszej Galaktyce.
Ale perspektywy są intrygujące. W świecie ciemnej materii, która jeszcze do niedawna wydawała się bezkształtną mętnością, za którą astronomowie ukrywają swoje niezrozumienie budowy świata, zaczęła się wyłaniać struktura - pewnego rodzaju interakcje, „ciemne ładunki”, „ciemne atomy”. Może fizyka się nie skończyła, a nowe pokolenia naukowców będą miały coś do zbadania w „ciemnym świecie”.