Научные ожидания от новой версии БАК

Если все пойдет по плану и Весной Большой адронный коллайдер возобновит работу, то ближайшие месяцы этого года могут стать прорывом в физике элементарных частиц.

1. Тени суперсимметричных частиц — визуализация

Вообще говоря, есть две возможности. Либо окажется, что правы физики-теоретики, разрабатывающие теорию суперсимметричных частиц (1) и они будут обнаружены, либо мы обнаружим, что ничего подобного в доступном нам диапазоне энергий не видно и тогда ждем … Именно то, что?

Да, мы открыли частицу Хиггса (бозон), но не знаем, какого она типа, а некоторые теории предполагают, что существует целых пять типов.

Открытия приводят к большему количеству оставшихся без ответа вопросов о Вселенной. В каком-то смысле Большой адронный коллайдер только начал работать.

Ученые считают, что это действительно LHC получил только один процент данных, которые мы ожидаем от него за весь срок его службы. Выход на энергетические уровни столкновения 13 ТэВ, а затем, по возможности, 14 ТэВ — это встреча с областями, неизвестными современной физике.

Ученые надеются, что, достигнув таких гигантских энергий, можно будет наблюдать новые частицы. Среди них должны быть те, которые составляют так называемую темная материя (2), природа которой, помимо темной энергии, является, пожалуй, величайшей космологической загадкой.

Эти гипотетические частицы называются WIMP (Weakly Interacting Massive Particles), и их появление будет сигнализироваться не напрямую, а такими признаками, как дефицит энергии и импульса во время столкновения, измеряемый четырьмя детекторами. LHC.

2. Трехмерная карта распределения темной материи во Вселенной.

У самого бозона Хиггса много секретов. Например, физики задаются вопросом, почему его масса находится в не очень стабильной зоне, описываемой Стандартной моделью.

«Если есть только стандартный бозон Хиггса и ничего больше, то масса этого бозона в теории нестабильна», — говорит он Symmagazine. org Доктор Хидэки Окава из Брукхейвенской национальной лаборатории.

«Многие считают, что должно быть что-то еще, чтобы стабилизировать массу частицы Хиггса», — продолжает он, добавляя, что большее количество вариаций этого бозона сделало бы изучаемую теорию «более естественной».

Более глубокий анализ бозона Хиггса после его открытия показал, что он ведет себя как отдельная частица.

На самом деле физики рассчитывали на большую сложность — целое семейство этого типа бозонов с немного другими свойствами. Это было бы шагом к пониманию явлений, которые до сих пор оставались необъяснимыми: гравитация, темная материя и энергия. В новой версии, как пишут ученые во многих доступных анализах, могут появиться новые, гораздо более тяжелые частицы бозона Хиггса.

Либо суперсимметрия, либо научная революция

Основные правила квантовой механики гласят, что пустого пространства не существует. Чем ближе мы смотрим на так называемую вакуума, тем лучше мы видим, как он кишит виртуальными частицами и античастицами. В Стандартной модели бозон Хиггса должен сильно взаимодействовать с морем виртуальных частиц, что подняло бы его массу до огромных значений, гораздо больших, чем измеряемые LHC.

Если бы эта огромная масса была реализована в природе, это нарушило бы известные нам принципы физики. Однако такие тяжелые частицы не могут быть получены.

Для того чтобы воспринимаемая нами «масса Хиггса» сформировалась, должны быть соблюдены определенные условия и выбраны определенные параметры Стандартной модели, благодаря которым Вселенная выглядит так, как если бы она была устроена особым образом.

Физики часто называют это «тонкой настройкой». Чтобы объяснить эту странную идеальную настройку, теоретики предложили развитие модели, наиболее многообещающей из которых кажется теория суперсимметрии. Именно она вводит «невидимую нить», поддерживающую Стандартную модель.

Он вводит концепцию новых суперсимметричных частиц, которая подавляет неприглядные флуктуации в вакууме и производит столько «массы Хиггса», сколько мы на самом деле наблюдаем. Кроме того, он четко объясняет проблемы темной материи, предлагая легчайшую суперсимметричную частицу в качестве кандидата на роль компонента этой материи.

Как точно выразился астрофизик и лауреат Нобелевской премии Джордж Смут в своем знаменитом утверждении (3): «Суперсимметрия обладает симметрией и велика, но нет никаких экспериментальных данных, подтверждающих ее истинность». Ему вторит ирония проф. Крис Паркс, из эксперимента LHCb, отметив, что «суперсимметрия, возможно, еще не умерла, но результаты недавних экспериментов привели ее в больницу».

Впрочем, кто знает, может, в этом году все эти злорадства устареют? Стандартная модель (МС) частиц и взаимодействий обобщает наше текущее понимание физики элементарных частиц. Он был проверен во многих экспериментах и ​​зарекомендовал себя в предсказании существования ранее неизвестных частиц.

Однако остается много нерешенных вопросов по этому LHC должен помочь вам ответить. МС не дает единого описания всех фундаментальных сил, потому что до сих пор сложно создать теорию гравитации, аналогичную теории других сил. Суперсимметрия — теория, предполагающая существование более тяжелых партнеров для известных нам частиц — может способствовать объединению фундаментальных взаимодействий.

Если это так, то в БАК должны находиться легчайшие суперсимметричные частицы. Эта концепция суперсимметрии, при которой все известные нам частицы имеют двойников, была создана для того, чтобы Стандартная модель просто работала — без математических коэффициентов, со значениями, выбранными в соответствии с наблюдениями.

Ученые надеются, что суперсимметричные частицы облегчат физику и Стандартную модель, из которых можно будет сбросить балласт математических «настройщиков». К сожалению, данные, собранные в первый период работы LHC исключили почти все наиболее часто рассматриваемые варианты суперсимметрии. Говорить о том, что отрицательные результаты поиска предвещают кризис в физике элементарных частиц, преждевременно, но всеобщее беспокойство вызывает.

Если мы не сможем обнаружить их на следующем этапе измерения, который только что начался, мы окажемся на распутье. Нам придется либо прекратить многолетний поиск доказательств того, что природа ведет себя в соответствии с нашими представлениями, либо приложить усилия для постройки коллайдера, который, благодаря еще большей энергии, может позволить нам подтвердить наши доводы.

Однако, может быть, мы и не найдем никаких следов суперсимметрии. Один из его сторонников, проф. Джон Эллис сказал Би-би-си, что если в LHC это не сработает, останется «очень мало уголков, в которых можно спрятаться». Что в основном означает, что ее увезут из больницы в морг. Однако, по мнению некоторых ученых, это вовсе не должно быть трагедией.

Это просто откроет новую главу исследований и теории, возможно, более интересную, чем Стандартная модель. Когда физика была более ста лет назад в конце предыдущей парадигмы, Планк, Эйнштейн, Резерфорд, Бор и другие построили здание совершенно новых концепций.

Также существует вероятность того, что Стандартная модель не требует никакой суперсимметрии, потому что «она такая, какая она есть», и физические значения не являются невероятными, а единственно возможными для возникновения мира, в котором будут существа, способные их измерить.

Некоторые опасаются, что такие рассуждения приводят к концепции «божественной руки». Что, если наша Вселенная окажется всего лишь одной из бесконечного числа вселенных, каждая из которых имеет свои физические законы?

Когда мы придерживаемся этой точки зрения, проблема идеальной настройки исчезает! Масса частицы Хиггса такова, потому что есть еще много вселенных, в которых она представляет большую ценность, но мы не живем ни в одной из них.

Через некоторое время после перезапуска LHC обсуждение суперсимметрии должно быть завершено. Либо мы находим подтверждение этому (или что-то похожее на него), либо ничего не находим. Если, однако, мы примем, что последняя возможность предполагает существование вселенных за пределами нашей, тогда начнется что-то вроде замечательной революции в наших представлениях о реальности.

Осветлить темную материю и энергию

Хотя доказательства суперсимметрии должны появиться вскоре после перезагрузки LHC, охота за темной материей, вероятно, займет больше времени. Трещины и царапины в структуре Стандартной модели начались задолго до того, как ее описали и начали использовать название. Еще в 1933 году швейцарский астроном Фриц Цвикки (4) заметил, что со звездами происходит что-то странное.

Его наблюдения показали, что галактики в далеком скоплении Кома движутся так быстро, что должны преодолевать связывающую их гравитацию.

В то же время тот факт, что скопление не распадается, говорит о том, что существует что-то невидимое, создающее гравитационные силы, удерживающие галактики вместе.

Сегодня мы называем невидимую темной материей. Он не отражает, не поглощает и не излучает свет, а значит, совершенно невидим для наших телескопов. Однако доказательства его существования трудно оспорить.

Недавние измерения, проведенные Европейским космическим агентством с помощью телескопа Planck (5), показывают, что материи более чем в пять раз больше, чем обычной материи.

Стандартная модель не может сказать ничего существенного об этой темной материи. Это означает, что, несмотря на наши успехи в картировании составных частиц атомов, из которых состоят планеты, звезды и другие космические тела, мы до сих пор не знаем, из чего состоит большая часть Вселенной.

Космологические и астрофизические наблюдения показали, что вся видимая материя не составляет и пяти процентов Вселенной (6)! Ведутся исследования частиц и явлений, ответственных за темную материю (около 26 процентов) и темную энергию (почти 70 процентов).

Самое популярное предположение состоит в том, что темная материя состоит из еще не открытых нейтральных суперсимметричных частиц, что заставляет… вернуться к ранее описанной цели работы LHC после перезагрузки.

А темная энергия? Это форма энергии, которая, как оказалось, связана с вакуумом в космосе. Он остается равномерно распределенным по всей вселенной — и во времени. Другими словами, его влияние не уменьшается по мере расширения Вселенной. Равномерное распределение означает, что темная энергия не вызывает никакого локального гравитационного эффекта, а оказывает глобальное влияние на вселенную в целом.

6. Современная оценка распределения материи и энергии во Вселенной.

Это создает отталкивающую силу, которая стремится ускорить расширение Вселенной.

«Мы не ждем, пока темная материя найдет нас, и мы не ищем ее где-либо во Вселенной», — отметила Хайди Сандакер, физик из Бергенского университета, физик из Бергенского университета, для журнала «Physical Portal Symmetry». орг. «Мы хотим создать его сами, в LHC».

Однако темная энергия почти не взаимодействует с обычным веществом. Таким образом, он может пройти через детектор, не оставив следов. Только недостающая энергия будет свидетельствовать о том, что она появилась в эксперименте.

Именно уравновешивая входную и выходную энергии и массы, ученые открыли нейтрино, летучие частицы, которые очень редко взаимодействуют с обычным веществом.

Потребуются данные самых разных экспериментов, чтобы обнаружить что-то столь же трудное для обнаружения, как темная материя. «Если один из них дает сильный сигнал о появлении темной материи, другие также должны представить доказательства, подтверждающие это», — объясняет Джан Джудиче, теоретик из ЦЕРН.

Почему Вселенная не такая же «анти»?

LHC также поможет в изучении головоломки. Материя и антиматерия должны были образоваться в одинаковых количествах во время Большого взрыва, но из наших наблюдений мы знаем, что наша Вселенная состоит только из материи. Раньше антиматерия считалась точным «зеркальным отражением» материи.

7. Изображение столкновения протона с антипротоном в одном из старых экспериментов ЦЕРН.

Теперь мы знаем, что отражение неточное и что оно может привести к дисбалансу между материей и антиматерией во Вселенной.

Если предположить, что после Большого Взрыва Вселенная каким-то образом раскололась на разные области, где преобладала либо материя, либо антиматерия, то ясно, что на границе этих областей должна происходить аннигиляция, производящая космические (гамма) лучи.

Принимая во внимание поля вероятностей аннигиляционных столкновений, а также расстояния и космические красные смещения, можно предсказать количество диффузных гамма-лучей, достигающих Земли. Наблюдаемое значение примерно 10-5 накладывает сильное ограничение на количество антивещества в ранней Вселенной.

На предыдущем этапе работы коллайдера исследователи, анализирующие результаты экспериментов, сообщали о следах процессов на уровне элементарных частиц, которые могут объяснить, почему наша Вселенная состоит больше из материи, чем из антиматерии.

Ученые ЦЕРН заметили в результатах своих экспериментов, в том числе и более старых, еще до восстания LHC (7) что частицы определенного типа, называемые Bs-мезонами, «более легко» распадаются на материю, чем на антиматерию.

8. История Вселенной от Большого Взрыва

Ученые подсчитали, что только каждый четвертый распад приводит к частицам антивещества. Хотя их открытие хорошо согласуется со Стандартной моделью, оно все же не отвечает на вопрос — почему?

Физики, однако, надеются узнать больше, поскольку они проводят больше экспериментов в LHC 2.0 и получит больше данных о молекулярном распаде.

Изучение протон-протонных и тяжелых ионных столкновений в LHC позволит по-новому взглянуть на состояние материи, известной как кварк-глюонная плазма (КГП), которая, согласно современным гипотезам, существовала в ранней Вселенной до образования элементарных частиц.

При столкновении тяжелых ионов при очень высоких энергиях на короткое время образуются горячие скопления плотной материи (файрболы), которые напоминают состояние Вселенной в первые мгновения после Большого взрыва (8).

Когда Вселенная остыла, кварки оказались в ловушке сложных частиц, таких как протоны и нейтроны. Это явление известно как захват кварков. При столкновениях в подземных туннелях температура превысит 100 XNUMX раз превышает температуру внутри Солнца.

В этих условиях кварки снова высвобождаются, и детекторы могут наблюдать и анализировать первоначальный «суп», исследуя, таким образом, фундаментальные свойства частиц и их слияние с образованием обычной материи.

Пятая сила природы

Однако молодые физики не привязываются к «чистой» Стандартной модели. Было создано целое семейство производных CHM (составных моделей Хиггса). Ученые, предлагающие их, ожидают не столько подтверждения суперсимметрии, сколько доказательств правильности новых моделей после перезапуска Большого адронного коллайдера.

9. Составной бозон Хиггса — теоретические размеры

Согласно моделям CHM, бозон Хиггса не является элементарной частицей, хотя и имеет удельный размер 10−18 м (9). Он состоит из более мелких компонентов, таких как атомное ядро, связанных неизвестной до сих пор «пятой силой природы» — взаимодействием, подобным тому, которое связывает кварки в протонах и нейтронах.

Одним из основных предсказаний модели является образование нового типа частиц на массовых уровнях ТэВ. Предполагается, что они являются возбужденными состояниями частиц Хиггса. Они могут образовываться при столкновениях с энергиями, превышающими их массу. Они также могут мешать наблюдениям согласно Стандартной модели.

Согласно наиболее далеко идущим представлениям, все частицы MS имеют партнеров с большой массой, например, фотоны, бозоны W и Z имеют аналоги с большой массой на уровне около 1012 эВ. И именно эти «суперчастицы», с их избыточной массой, могут быть ответом на вопросы о недостающей массе и энергии во Вселенной. Это предполагает разгадку тайн темной материи и энергии. Только сначала нужно найти какое-либо экспериментальное подтверждение этого предположения.