Eksperci twierdzą, że Model Standardowy fizyki cząstek elementarnych może się zepsuć

Jako fizyk pracujący w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) w CERN, jednym z najczęściej zadawanych pytań jest „Kiedy coś znajdziesz?” Oprzyj się pokusie odpowiedzi sarkastycznie: „Oprócz bozonu Higgsa nagrodzonego nagrodą Nobla i całej masy nowych cząstek kompozytowych?” Zdaję sobie sprawę, że powodem, dla którego tak często zadawane jest to pytanie, jest sposób, w jaki przedstawiamy postępy w fizyce cząstek elementarnych dla szerszego świata.

Często mówimy o postępie w kategoriach odkrywania nowe cząstkii często tak jest. Badanie nowej, bardzo ciężkiej cząstki pomaga nam zobaczyć podstawowe procesy fizyczne – często bez denerwującego szumu tła. Ułatwia to wyjaśnienie opinii publicznej i politykom wartości odkrycia.

Ostatnio jednak seria dokładne pomiary Z cząstek i procesów już znanych, normalne bagna groziły destabilizacją fizyki. A z LHC gotowym do pracy Wyższa energia i gęstość Jak zawsze, czas na szersze omówienie efektów.

W rzeczywistości, Fizyka cząsteczek Zawsze działa na dwa sposoby, z których jedną jest nowa cząsteczka. Drugim jest wykonywanie bardzo dokładnych pomiarów, które testują przewidywania teorii i szukanie odchyleń od oczekiwanych.

Wczesne dowody na teorię Einsteina ogólna teoria względnościna przykład, pochodzi z odkrycia niewielkich odchyleń w pozornych pozycjach gwiazd oraz z ruchu Merkurego na swojej orbicie.

Trzy główne wyniki

Cząstki podążają za sprzeczną z intuicją, ale szalenie udaną teorią zwaną mechaniką kwantową. Ta teoria pokazuje, że cząstki zbyt masywne, aby mogły powstać bezpośrednio w kolizji laboratoryjnej, mogą nadal wpływać na to, co robią inne cząstki (poprzez tak zwane „fluktuacje kwantowe”). Jednak pomiary tych efektów są bardzo złożone i trudne do wytłumaczenia opinii publicznej.

Jednak ostatnie odkrycia wskazujące na nową, niewyjaśnioną fizykę wykraczającą poza Model Standardowy należą do drugiego rodzaju. Szczegółowe badania przeprowadzone w ramach eksperymentu LHCb wykazały, że cząstka znana jako kwark piękny (kwarki tworzą protony i neutrony w jądrze atomu) „rozpada się” (rozpada się) na znacznie więcej elektronów niż mion — cięższy, ale poza tym identyczny elektron, brachu. Zgodnie z Modelem Standardowym tak się nie powinno – to znak, że nowe cząstki lub nawet siły natury mogą wpłynąć na ten proces.

Co jednak ciekawe, pomiary podobnych procesów z udziałem „kwarków górnych” z eksperymentu ATLAS w Wielkim Zderzaczu Hadronów pokazują ten rozpad. Występuje w równym tempie dla elektronów i mionów.

Tymczasem eksperyment Muon g-2 został niedawno przeprowadzony w Fermilab w Stanach Zjednoczonych Bardzo dokładne badania o tym, jak miony „oscylują” w wyniku oddziaływania ich „spinu” (właściwość kwantowa) z otaczającymi polami magnetycznymi. Odkrył niewielkie, ale znaczące odchylenie od niektórych przewidywań teoretycznych – ponownie sugerując, że mogą działać nieznane siły lub cząstki.

ten Najnowsze zaskakujące wyniki Jest to miara masy cząstki elementarnej zwanej W Bozonkto ma rozszerzenie? słaba energia jądrowa Kontroluje rozpad radioaktywny. Po wielu latach zbierania i analizowania danych eksperyment, również przeprowadzony w Fermilab, sugeruje, że jest znacznie cięższy niż przewiduje teoria – aberracja o wielkość, która nie zdarzyła się przypadkowo w ponad milionie milionów prób. Ponownie, jeszcze nieodkryte cząstki mogą zwiększać swoją masę.

Co ciekawe, różni się to jednak również od niektórych niskorozdzielczych pomiarów LHC (przedstawionych w: to badanie I Ten).

osąd

Chociaż nie jesteśmy całkowicie pewni, czy te efekty wymagają nowego wyjaśnienia, wydaje się, że rosną dowody, że potrzebna jest nowa fizyka.

Oczywiście, pojawi się prawie tyle nowych mechanizmów wyjaśniających te obserwacje, ilu jest teoretyków. Wielu z niecierpliwością czeka na różne formy „SupersymetriaJest to pomysł, że w Modelu Standardowym jest dwa razy więcej cząstek fundamentalnych niż myśleliśmy, a każda cząstka ma „superpartnera”.Może to obejmować dodatkowe bozony Higgsa (związane z polem, które nadaje fundamentalnym cząstkom ich masę).

Inni to ominą, powołując się na mniej modne pomysły, takie jak „technikol„co oznacza, że ​​istnieją dodatkowe siły natury (oprócz grawitacji, elektromagnetyzmu, słabych i silnych sił jądrowych) i może to oznaczać, że bozon Higgsa jest w rzeczywistości złożonym obiektem zbudowanym z innych cząstek. Dopiero eksperymenty ujawnią prawda – dobre wieści dla eksperymentu”.

Wszystkie zespoły eksperymentalne stojące za nowymi odkryciami cieszą się dużym szacunkiem i od dawna rozwiązują problemy. Jednak nie jest dla nich brak szacunku, aby zauważyć, że te pomiary są bardzo trudne. Ponadto prognozy Modelu Standardowego zwykle wymagają przybliżonych obliczeń. Oznacza to, że różni teoretycy mogą spodziewać się nieco różnych mas i szybkości rozpuszczania w zależności od założeń i poziomu dokonanego przybliżenia. Może więc, gdy wykonamy dokładniejsze obliczenia, zmieszczą się nowe wyniki Forma standardowa.

Podobnie badacze mogą w subtelny sposób stosować różne interpretacje, a tym samym znajdować niespójne wyniki. Porównanie dwóch wyników eksperymentalnych wymaga starannej weryfikacji, czy w obu przypadkach zastosowano ten sam przybliżony poziom.

Są to dwa przykłady źródeł „niepewności systematycznej” i chociaż wszyscy zaangażowani dokładają wszelkich starań, aby ją oszacować, mogą wystąpić nieprzewidziane komplikacje, które je niedoceniają lub przeceniają.

Nic z tego nie sprawia, że ​​obecne odkrycia są mniej interesujące ani ważne. Odkrycia jasno pokazują, że istnieje wiele ścieżek do głębszego zrozumienia nowej fizyki, z których wszystkie należy zbadać.

Po ponownym uruchomieniu LHC wciąż istnieje możliwość pojawienia się nowych cząstek w rzadkich procesach lub znalezienia ukrytych pod tłem, którego jeszcze nie odkryliśmy.

Ten artykuł został ponownie opublikowany z Rozmowa Na licencji Creative Commons. Przeczytać oryginalny artykuł.