Физика элементарных частиц находится на пороге принципиально новых открытий. Эпоха создания Стандартной модели — которая объясняет все, что сейчас известно,— фактически завершилась, а эпоха Новой физики еще не наступила. Откуда ждать нового, рассказывает доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Физического института им. П.Н. Лебедева РАН АЛЕКСЕЙ ДРУЦКОЙ.
Фото: CERN
Фото: CERN
Фото: CERN
Стандартная модель
Прежде чем рассказывать о том, что происходит в физике тяжелых кварков, нужно обрисовать ситуацию в физике элементарных частиц в целом. А она достаточно сложная. За последние десятилетия была детально разработана так называемая Стандартная модель (СМ), которая позволяет объяснить все известные элементарные частицы и их взаимодействия. Эта модель подтверждена в огромном количестве экспериментов. Как когда-то таблица Менделеева позволила систематизировать известные и предсказать новые химические элементы, так СМ дала возможность систематизировать известные и предсказывать новые частицы. Стандартная модель демонстрирует удивительную симметрию между разными типами элементарных частиц.
В СМ есть три нейтрино с зарядом ноль, три кварка с зарядом 1/3, три кварка с зарядом 2/3 и три лептона с зарядом 1. Дополнительно в СМ вводятся векторные частицы (частицы со спином 1) — чтобы описать сильные, электромагнитные и слабые взаимодействия, кроме того, в СМ вводится бозон Хиггса. Все это позволяет получить хорошее согласие теоретических предсказаний с экспериментами.
История создания Стандартной модели — это история удивительных успехов, как в наблюдении новых частиц, так и в построении теории. В 1935-1950 годах, в дополнение к ранее открытым электрону, протону и нейтрону, были обнаружены новые элементарные частицы — нейтрино, мюоны, пионы и каоны. Разделение частиц на два класса - лептоны и адроны, а позднее введение понятия кварков позволило провести первичную классификацию частиц и взаимодействий. Дальнейшее развитие было стимулировано открытием в 1970-х годах новых частиц — с "очарованным" c-кварком, "прелестным" b-кварком и t-лептона. В 1980-х годах экспериментальное наблюдение переносчиков слабых взаимодействий, W- и Z-бозонов, а в 1990-х годах t-кварка окончательно сформировало сегодняшнюю конфигурацию СМ. Последней частицей, предсказанной в рамках СМ, был бозон Хиггса, открытый в ЦЕРНе в 2012 году, что явилось полным триумфом Стандартной модели.
Построение Стандартной модели в целом завершено, а что будет дальше, никто не знает. Экспериментаторы стараются найти что-то, что противоречило бы Стандартной модели, теоретики придумывают новые модели, расширяющие ее. Частицы, процессы или модели, возникающие в различных расширениях Стандартной модели, часто называют Новой физикой. К сожалению, пока результатов в поиске Новой физики добиться не удается. Теоретических концепций много, но пока непонятно, какая лучше. В частности, детально изучена Суперсимметрия, но есть и другие перспективные модели. Чтобы на что-то опереться, теоретики ждут статистически значимых указаний от экспериментаторов, а те пока не могут обнаружить явных проявлений Новой физики.
Тут надо сделать небольшое отступление. Дело в том, что экспериментаторы для поиска новых частиц в основном используют ускорители. Поскольку в современных ускорителях сталкиваются летящие навстречу частицы, их называют коллайдерами, от английского collide — "сталкивать". В качестве источников элементарных частиц для исследований используются также атомные реакторы и космические лучи, но не так широко. Использование коллайдеров очень удобно, потому что результат всегда можно проверить, набрав больше данных. Можно построить новый, более мощный коллайдер и изучить новую частицу или процесс более детально.
Спин —
собственный момент импульса микрочастиц. Спин имеет сугубо квантовую природу и потому не может быть объяснен как следствие вращения частицы вокруг своей оси. Спин квантовых частиц может быть либо целым, либо полуцелым (в единицах постоянной Планка).
Элементарные частицы —
квантовые микрочастицы, которые, по современным представлениям, нельзя расщепить на составные части. Некоторые элементарные частицы, например, протоны и нейтроны, состоят из кварков (однако их все равно нельзя расщепить, это так называемый конфайнмент). Элементарные частицы, не имеющие внутренней структуры, называются фундаментальными.
Кварки —
фундаментальные частицы, обладающие электрическим зарядом, кратным одной трети заряда электрона, и не наблюдающиеся в свободном состоянии, но входящие в состав некоторых элементарных частиц.
Материя, антиматерия и темная материя
Однако для понимания физики микромира, кроме коллайдеров, можно использовать астрофизические наблюдения. Так вот, изучая звезды и галактики, астрофизики сделали вывод, что должны быть еще какие-то частицы, которых нет в СМ. То есть астрофизики могут точно сказать, что Новая физика существует, но не знают, как именно она выглядит. Чтобы ответить на этот вопрос, надо увидеть эти частицы на ускорителях. А этого пока сделать не удается.
Какие же конкретно астрофизические явления не удается объяснить в рамках Стандартной модели?
Во-первых, мы точно знаем, что звезды состоят из материи, а антиматерии практически нет. В рамках СМ это непонятно. В момент рождения Вселенной — Большого взрыва — материя и антиматерия должны были рождаться в равной мере, однако затем антиматерия куда-то исчезла. Должен быть процесс, в котором антиматерия исчезает, а материя остается, но в рамках СМ такого нет. Нужны какие-то еще неизвестные частицы Новой физики, которые могут обеспечить исчезновение антиматерии.
Во-вторых, в астрофизике наблюдаются явления, прямо указывающие на существование неизвестной — темной — материи, и более того, темной энергии, которые также невозможно объяснить в СМ. Во Вселенной наблюдаются силы гравитационного притяжения в несколько раз большие, чем те, которые были бы, если бы существовали только видимые звезды и галактики. Это указывает на существование темной материи, которая состоит из каких-то неизвестных частиц Новой физики. Поэтому физики думают, как создать более общую теорию, которая одновременно опишет и элементарные частицы, и астрофизические наблюдения и позволит объяснить саму Стандартную модель.
Между двух эпох
Фактически в настоящее время завершен большой этап развития физики элементарных частиц. Сегодня мы оказались между двух эпох. Эпоха создания Стандартной модели закончилась, а эпоха Новой физики еще не наступила. Какие возможности для науки, а может быть, и практического использования, могут открыться, никто не знает. Будет ли открыто что-то такое, что, как электричество, перевернет нашу жизнь? А может быть, мы просто сделаем еще один небольшой шаг вперед.
Новую физику ищут во всевозможных направлениях. Ищут на Большом адронном коллайдере, где огромные энергии столкновений открывают возможность напрямую наблюдать частицы Новой физики. Строят уникальные подземные детекторы, на которых могут наблюдаться следы темной материи. Строят огромные детекторы для изучения свойств нейтрино, где также можно ожидать проявления Новой физики. Строят коллайдеры с огромной интенсивностью пучков в надежде увидеть редкие процессы, которые запрещены в Стандартной модели.
Новую физику обещают тяжелые кварки
Одним из направлений исследований на коллайдерах с большой интенсивностью --большим числом ускоренных и собранных в узкий пучок частиц — является изучение тяжелых кварков. Тяжелыми называют три кварка, имеющие большую массу: с-кварк, b-кварк и t-кварк. Их название происходит от слов "очарованный" (charm), "прекрасный" (beauty) и "верхний" (top). Физики любят использовать красивые названия. Самый тяжелый среди известных частиц, t-кварк, это чрезвычайно интересный объект. Но его свойства сильно отличаются от свойств двух других тяжелых кварков, c-кварка и b-кварка. В одной короткой статье нет возможности обсудить столь разные объекты, поэтому здесь нужно ограничиться рассказом о том, что нового происходит в исследовании свойств c-кварка и b-кварка.
Последние десятилетия идет соревнование, кто построит коллайдер, на котором можно произвести больше частиц, включающих c- и b-кварки. В начале 1990-х годов счет таких так называемых очарованных и прекрасных частиц шел на сотни тысяч, затем на миллионы. Сегодня на коллайдерах рождаются десятки и даже сотни миллиардов прекрасных и очарованных частиц. Разумеется, важно не только произвести, но и зарегистрировать (или, как говорят, реконструировать) распады этих частиц. Для этого разрабатываются все более сложные детекторы. Интересно отметить, что физики обычно строят два очень похожих эксперимента, которые должны соревноваться между собой. Хотя это вдвое дороже, однако в конечном итоге конкуренция окупается. Конкуренция позволяет быстрее развивать технологии коллайдеров и детекторов, отсеивать ошибочные результаты.
На сегодняшний день большие объемы данных по распадам частиц, включающих с- и b-кварк, накоплены на экспериментах Belle (Япония) и BaBar (США). Эти эксперименты несколько лет назад остановлены. В 2018 году должен стартовать модернизированный Belle II, который позволит увеличить производительность по сравнению с Belle примерно в 50 раз. Изучение с-кварка активно ведется в Китае на эксперименте BES III. Большая статистика по распадам тяжелых кварков накоплена на тэватроне в США в экспериментах D0 и CDF, которые также уже остановлены. Но самый большой объем реконструированных прекрасных и очарованных частиц имеется в ЦЕРНе (Швейцария) в экспериментах CMS, ATLAS и LHCb. Надо отметить, что эксперимент LHCb специально построен именно для изучения тяжелых кварков.
Первые намеки на Новую физику
За последнее время в физике прекрасных и очарованных кварков было получено много интересных результатов. В принципе, распады c- и b-кварков очень разнообразны, уже удалось наблюдать несколько сотен каналов их распадов. Но все же, как было сказано выше, самое важное — это увидеть что-то, что не соответствует предсказаниям СМ. И вот недавно некоторый намек на Новую физику в этой области возник.
Вообще-то за последнее время было уже несколько намеков на Новую физику. В ЦЕРНе, в экспериментах ATLAS и CMS был получен намек на новую очень тяжелую частицу. Через некоторое время статистика была увеличена, и на новых данных сигнал не подтвердился. Затем в тех же экспериментах увидели намек на рождение еще одного, более тяжелого, бозона. И опять при увеличении статистики сигнал не подтвердился. Это было огромным разочарованием для физического сообщества. Результаты, не объяснимые в рамках СМ, бывали и раньше, но все же не столь впечатляющие и не столь обнадеживающие.
Среди физиков давно идет спор, в каком случае новые результаты должны быть представлены общественности. Трудно удержаться, чтобы не заявить, что наблюдается интересный сигнал, даже его достоверность не слишком высока. Однако если физики обычно понимают, что какой-то сигнал с большой вероятностью может и не подтвердиться, то общественность этого не понимает. Тут необходим баланс между открытостью и ненужной сенсационностью. В любом случае важно объяснять, какой результат не очень надежен, а какой достоверен почти на 100%.
Возвращаясь к физике тяжелых кварков, нужно сказать, что очередной намек на Новую физику появился в распадах В-мезонов. Надежность этого результата пока не очень велика. Однако результат очень интересный и уже имеет немалую статистическую значимость. Надо сказать, что в рамках СМ можно проводить вычисления с высокой точностью. Иногда точность бывает высочайшей, иногда не очень высокой — но не потому, что формулы неточные. Просто некоторые вычисления технически очень сложны. В таких случаях обычно удается оценить, какая точность вычислений достигнута. Тогда получают значение и его неточность (погрешность вычисления), например, 5%.
Так вот, целый ряд измерений относительных вероятностей распадов В-мезонов указывает на различие свойств лептонов. В СМ существуют три лептона: электрон, мюон и t-лептон (не считая их античастиц) и предполагается, что три лептона во всех процессах должны вести себя одинаково. В рамках этого предположения можно посчитать вероятности распадов В-мезонов с лептонами в конечном состоянии и сравнить их с экспериментом. В нескольких экспериментах, в частности на B-фабриках Belle и BaBar, а также на Большом адронном коллайдере получаются различия между расчетами и экспериментальными измерениями. Причем все полученные экспериментальные значения меньше теоретических предсказаний. Естественным объяснением может служить то, что лептоны образуются в процессах, не учтенных в СМ. Такое различие в поведении лептонов назвали нарушением "универсальности лептонного числа".
К сожалению, проведенные экспериментальные измерения имеют большую погрешность и, как следствие, разница между экспериментом и теорией не имеет высокой значимости, пока это лишь намек. Но и пренебречь этим нельзя — полученная разница уже выше стандартного порога, который физики используют, чтобы квалифицировать это как "свидетельство". Пока еще не "наблюдение", для которого установлен более высокий порог, но уже кое-что. Есть и еще одна проблема — нет полной ясности в том, насколько точно проведены теоретические вычисления. Их точность оценивается как очень высокая, но сомнения все же есть. Обсуждается возможность дополнительных поправок, которые не были аккуратно учтены. Вопрос остается открытым: была ли это статистическая флуктуация и разница исчезнет при увеличении статистики, были ли недостаточно точно проведены вычисления или это будет первым наблюдением Новой физики в виде нарушения лептонной универсальности. Уже и теоретики предложили целый ряд моделей Новой физики, в рамках которых можно объяснить эти отклонения: новые тяжелые векторные мезоны, лептокварки, заряженные бозоны Хиггса и некоторые другие объяснения.
Модернизация зоопарка частиц
Некоторое время назад в физике c- и b-кварков быстро развилось еще одно интересное направление. Оно не связано с Новой физикой и вполне укладывается в Стандартную модель. Как известно, в СМ есть следующие частицы: лептоны, кварки, фотон, глюон, векторные бозоны и бозон Хиггса. Однако кроме них существует огромное число частиц, которые являются связанными состояниями кварков и антикварков. Эти частицы не совсем элементарные, они состоят из кварков. Такие частицы называются адронами, и их полный набор ("зоопарк частиц") можно описать в рамках простого предположения, что они состоят из кварка и антикварка или же из трех кварков (или трех антикварков). Адроны, состоящие из кварка и антикварка, называют мезонами, из трех кварков или трех антикварков — барионами. Однако в рамках СМ ничему не противоречит появление частиц из более сложных наборов кварков, например, двух кварков и двух антикварков, их называют тетракварками. Или четырех кварков и одного антикварка, которые называют пентакварками.
Поиск экзотических частиц, состоящих из большого числа кварков, велся очень давно. Было много "открытий" многокварковых частиц, которые были закрыты при увеличении статистики. В какой-то момент вообще стали возникать сомнения в их существовании. Но за последнее десятилетие неожиданно был с высокой надежностью обнаружен целый ряд таких частиц. В 2003 году коллаборация Belle увидела необычную частицу X(3872). Было много дискуссий, является ли эта частица четырехкварковой молекулой или все же это обычная кварк-антикварковая частица. Сегодня большинство физиков считает, что X(3872) — квантовая смесь того и другого. Но все же однозначно это утверждать нельзя. Однако в 2007 году, тоже коллаборацией Belle, была обнаружена четерехкварковая заряженная частица X+(4430), которая в принципе не может быть обычной кварк-антикварк-комбинацией. Причем наблюдение было подтверждено другими коллаборациями, надежность результата очень высокая. Затем были найдены и другие подобные частицы. Сегодня известно уже более 20 таких частиц, что позволяет провести их первичную классификацию. Кроме того, коллаборация LHCb обнаружила пентакварки.
Судя по всему, эти новые частицы напоминают молекулы. По аналогии с обычной молекулой, здесь считается, что молекулярная структура многокварковых частиц проявляется в том, что имеются компактные объекты (обычные "старые" частицы), которые между собой связаны не столь сильно. Как будет развиваться это направление по изучению многокварковых состояний, пока до конца не понятно. Кроме слабо связанных молекулярных конфигураций, возможно существование сильно связанных многокварковых конструкций. В любом случае, эти новые частицы позволяют лучше понять, как работают силы, которые не до конца изучены на теоретическом уровне. Возможно, в дальнейшем мы поймем, как создавать эти новые частицы и как они могут быть использованы.
Две представленные здесь темы являются сегодня наиболее привлекающими внимание в физике c- и b-кварков. Хотя в этой области есть и другие новые интересные результаты, в частности в области нарушения СР-четности, в рамках короткого рассказа хотелось остановиться именно на этих двух темах.
Томские ученые ТПУ тестируют в ЦЕРНе алмазные детекторы
Научная группа Томского политехнического университета принимает участие в обновлении Большого адронного коллайдера (БАК) в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН). Томские ученые анализируют имеющиеся на БАК алмазные датчики с целью их модернизации, а также работают над созданием алмазных детекторов нового поколения.
"Энергии, которые возникают во время экспериментов на БАК,— самые высокие в мире. Условия экспериментов тоже необычные — столкновения частиц происходят каждые 28 наносекунд. Соответственно, нужны надежные и максимально точные детекторы",— отмечает Павел Каратаев, профессор университета Royal Holloway, один из организаторов работы научной группы ТПУ в ЦЕРНе.
Группа ТПУ входит в состав проекта BRIL (Beam Radiation Instrumentation and Luminosity) по измерению характеристик пучка элементарных частиц. Группа работает над повышением надежности существующей системы алмазных датчиков BCML (Beam Condition Monitor Leakage), отвечающей за безопасность на БАК, а также тестирует собственные детекторы из синтетических алмазов, выращиваемых учеными Института физики высоких технологий ТПУ.
По словам Павла Каратаева, в ближайшем будущем ЦЕРН планирует увеличить интенсивность протонного пучка в десять раз. Если это сделать сейчас, не подготовленные к таким нагрузкам датчики попросту перестанут выполнять свою функцию. "Детекторы, которые установлены на БАК сейчас, ведут себя зачастую непредсказуемо, и не всегда удается определить причину различия в их характеристиках. Например, почему из двух одинаковых датчиков один быстро выходит из строя, а другой работает много месяцев. Мы стараемся выяснить, что происходит внутри детекторов, чтобы сделать их точнее и устойчивее к высоким энергиям",— рассказывает Виталий Охотников, инженер Института физики высоких технологий ТПУ, курирующий в ЦЕРНе проект BCML.
"Нам предстоит в течение двух месяцев облучать эти датчики частицами, чтобы определить для каждого свое рабочее напряжение, спрогнозировать скорость износа и другие характеристики,— поясняет Виталий Охотников.— Также мы ставим себе целью разработать детекторы на основе синтетических алмазов и изготавливать их уже на базе ТПУ. Они будут отличаться большей износостойкостью и предсказуемыми рабочими параметрами".
Ученые ТПУ принимают также участие в модернизации системы безопасности BCML ЦЕРНа. Система автоматически отключает ускорители при превышении уровня светимости и радиации.