17:09 Коллаэдр протестировал "новую физику" | |
 Физики, работающие на детекторе LHCb Большого адронного коллайдера, впервые смогли пронаблюдать крайне редкое событие — распад странного B-мезона на два мюона, параметры этого события очень точно совпали с предсказаниями теории, что почти не оставляет места для «новой физики», в частности, для популярной среди ученых суперсимметричных теорий.Новый результат был представлен в понедельник на научной конференции в Киото, сообщение о нем было также опубликовано на сайте ЦЕРНа.
Почитать БАК и Другие...
«Результат очень сильно ограничивает круг существующих моделей, в частности, суперсимметричные модели становятся почти невероятными. Я бы сказал, что суперсимметричные модели по дороге на кладбище», — сказал РИА Новости сотрудник коллаборации LHCb, профессор Имперского колледжа Лондона Андрей Голутвин.
Поиск новых частиц, а также новых явлений, выходящих за границы существующей общепринятой теории — Стандартной модели — физики могут вести напрямую, пытаясь зафиксировать следы рождения новых частиц при столкновении других частиц, разогнанных до высоких энергий. Так, в частности, минувшим летом был открыт бозон Хиггса (или частица, очень на нее похожая).
...Стандартной моделью сегодня принято называть теорию, наилучшим образом отражающую наши представления об исходном материале, из которого изначально построена Вселенная. Она же описывает, как именно материя образуется из этих базовых компонентов, и силы и механизмы взаимодействия между ними (см. также Кварки и восьмеричный путь, Универсальные теории и Элементарные частицы ).
Со структурной точки зрения элементарные частицы, из которых состоят атомные ядра (нуклоны), и вообще все тяжелые частицы — адроны (барионы и мезоны) — состоят из еще более простых частиц, которые принято называть фундаментальными. В этой роли по-настоящему фундаментальных первичных элементов материи выступают кварки, электрический заряд которых равен 2/3 или –1/3 единичного положительного заряда протона. Самые распространенные и легкие кварки называют верхним и нижним и обозначают, соответственно, u (от английского up) и d (down).
Иногда их же называют протонным и нейтронным кварком по причине того, что протон состоит из комбинации uud, а нейтрон — udd. Верхний кварк имеет заряд 2/3; нижний — отрицательный заряд –1/3. Поскольку протон состоит из двух верхних и одного нижнего, а нейтрон — из одного верхнего и двух нижних кварков, вы можете самостоятельно убедиться, что суммарный заряд протона и нейтрона получается строго равным 1 и 0, и удостовериться, что в этом Стандартная модель адекватно описывает реальность. Две другие пары кварков входят в состав более экзотических частиц. Кварки из второй пары называют очарованным — c (от charmed) и странным — s (от strange). Третью пару составляют истинный — t (от truth, или в англ. традиции top) и красивый — b (от beauty, или в англ. традиции bottom) кварки. Практически все частицы, предсказываемые Стандартной моделью и состоящие из различных комбинаций кварков, уже открыты экспериментально.
Другой строительный набор состоит из кирпичиков, называемых лептонами. Самый распространенный из лептонов — давно нам знакомый электрон, входящий в структуру атомов, но не участвующий в ядерных взаимодействиях, ограничиваясь межатомными. Помимо него (и парной ему античастицы под названием позитрон) к лептонам относятся более тяжелые частицы — мюон и тау-лептон с их античастицами. Кроме того, каждому лептону сопоставлена своя незаряженная частица с нулевой (или практически нулевой) массой покоя; такие частицы называются, соответственно, электронное, мюонное или таонное нейтрино.
Итак, лептоны, подобно кваркам, также образуют три «семейных пары». Такая симметрия не ускользнула от наблюдательных глаз теоретиков, однако убедительного объяснения ей до сих пор не предложено. Как бы то ни было, кварки и лептоны представляют собой основной строительный материал Вселенной.
Почитать 10 тайн Вселенной
Чтобы понять оборотную сторону медали — характер сил взаимодействия между кварками и лептонами, — нужно понять, как современные физики-теоретики интерпретируют само понятие силы. В этом нам поможет аналогия. Представьте себе двух лодочников, гребущих на встречных курсах по реке. Один гребец от щедрости душевной решил угостить коллегу шампанским и, когда они проплывали друг мимо друга, кинул ему полную бутылку шампанского. В результате действия закона сохранения импульса, когда первый гребец кинул бутылку, курс его лодки отклонился от прямолинейного в противоположную сторону, а когда второй гребец поймал бутылку, ее импульс передался ему, и вторая лодка также отклонилась от прямолинейного курса, но уже в противоположную сторону.
Таким образом, в результате обмена шампанским обе лодки изменили направление. Согласно законам механики Ньютона это означает, что между лодками произошло силовое взаимодействие. Но ведь лодки не вступали между собой в прямое соприкосновение? Здесь мы и видим наглядно, и понимаем интуитивно, что сила взаимодействия между лодками была передана носителем импульса — бутылкой шампанского. Физики назвали бы ее переносчиком взаимодействия.
В точности так же и силовые взаимодействия между частицами происходят посредством обмена частицами-переносчиками этих взаимодействий. Фактически, различие между фундаментальными силами взаимодействия между частицами мы и проводим лишь постольку, поскольку в роли переносчиков этих взаимодействий выступают разные частицы. Таких взаимодействий четыре: сильное (именно оно удерживает кварки внутри частиц), электромагнитное, слабое (именно оно приводит к некоторым формам радиоактивного распада) и гравитационное.
Переносчиками сильного цветового взаимодействия являются глюоны, не обладающие ни массой, ни электрическим зарядом. Этот тип взаимодействия описывается квантовой хромодинамикой. Электромагнитное взаимодействие происходит посредством обмена квантами электромагнитного излучения, которые называются фотонами и также лишены массы. Слабое взаимодействие, напротив, передается массивными векторными или калибровочными бозонами, которые «весят» в 80-90 раз больше протона, — в лабораторных условиях их впервые удалось обнаружить лишь в начале 1980-х годов. Наконец, гравитационное взаимодействие передается посредством обмена не обладающими собственной массой гравитонами — этих посредников пока что экспериментально обнаружить не удалось.
В рамках Стандартной модели первые три типа фундаментальных взаимодействий удалось объединить, и они более не рассматриваются по отдельности, а считаются тремя различными проявлениями силы единой природы. Возвращаясь к аналогии, предположим, что другая пара гребцов, проплывая друг мимо друга по реке, обменялась не бутылкой шампанского, а всего лишь стаканчиком мороженого. От этого лодки также отклонятся от курса в противоположные стороны, но значительно слабее. Стороннему наблюдателю может показаться, что в этих двух случаях между лодками действовали разные силы: в первом случае произошел обмен жидкостью, а во втором — твердым телом (мороженым).
А теперь представьте, что в тот день стояла редкостная летняя жара, и мороженое в полете растаяло. То есть, достаточно некоторого повышения температуры, чтобы понять, что, фактически, взаимодействие не зависит от того, жидкое или твердое тело выступает в роли его переносчика. Единственная причина, по которой нам представлялось, что между лодками действуют различные силы, состояла во внешнем отличии переносчика-мороженого, вызванном недостаточной для его плавления температурой. Поднимите температуру — и силы взаимодействия предстанут наглядно едиными.
Силы, действующие во Вселенной, также сплавляются воедино при высоких энергиях (температурах) взаимодействия, после чего различить их невозможно. Первыми объединяются (именно так это принято называть) слабое ядерное и электромагнитное взаимодействия. В результате мы получаем так называемое электрослабое взаимодействие, наблюдаемое даже лабораторно при энергиях, развиваемых современными ускорителями элементарных частиц. В ранней Вселенной энергии были столь высоки, что в первые 10–10 секунды после Большого взрыва не было грани между слабыми ядерными и электромагнитными силами. Лишь после того, как средняя температура Вселенной понизилась до 1014 K, все четыре наблюдаемые сегодня силовые взаимодействия разделились и приняли современный вид. Пока температура была выше этой отметки, действовали лишь три фундаментальные силы: сильного, объединенного электрослабого и гравитационного взаимодействий.
Почитать Сотворение Мира (Альтернатива )
Объединение электрослабого и сильного ядерного взаимодействия происходит при температурах порядка 1027К. В лабораторных условиях такие энергии сегодня недостижимы. Самый мощный современный ускоритель — в настоящее время на границе Франции и Швейцарии Большой адронный коллайдер (Large Hadron Collider) — может разгонять частицы до энергий, которые составляют всего 0,000000001% от необходимой для объединения электрослабого и сильного ядерного взаимодействий.
Так что, вероятно, экспериментального подтверждения этого объединения ждать нам придется долго. Таких энергий нет и в современной Вселенной, однако в первые 10–35 с ее существования температура Вселенной была выше 1027 К, и во Вселенной действовало всего две силы — электросильного и гравитационного взаимодействия. Теории, описывающие эти процессы, называют «теориями Великого объединения» (ТВО). Напрямую проверить ТВО нельзя, но они дают определенные прогнозы и относительно процессов, протекающих при более низких энергиях. На сегодняшний день все предсказания ТВО для относительно низких температур и энергий подтверждаются экспериментально.
Итак, Стандартная модель, в обобщенном виде, представляет собой теорию строения Вселенной, в которой материя состоит из кварков и лептонов, а сильные, электромагнитные и слабые взаимодействия между ними описываются теориями великого объединения. Такая модель, очевидно, не полна, поскольку не включает гравитацию. Предположительно, более полная теория со временем все-таки будет разработана (см. Универсальные теории ), а на сегодня Стандартная модель — это лучшее из того, что мы имеем...
Если энергии гипотетических частиц слишком высоки и недоступны для их получения на коллайдере, есть и другой способ — искать присутствие новых частиц непрямым способом, через их взаимодействия с кварками при распаде частиц.
Именно для этого был создан детектор LHCb. Работающие на нем физики изучают поведение частиц, в состав которых входит b-кварк ("прелестный", от английского «beauty»). Нейтральный странный B-мезон состоит из s-кварка ("странного", strange) и b-кварка. Стандартная модель с очень хорошей точностью предсказывала, что распад этой частицы на два мюона должен быть крайне редким событием. Его вероятность составляет 3*10^-9 — это означает, что так распадутся 3 частицы из 10 миллиардов.
Физики всегда обращают внимание на такие крайне редкие процессы, потому что, если реальность не сойдется с теорией, это будет указывать на присутствие «новой физики», явлений за пределами мира Стандартной модели.
«Выбираются такие события, которые очень хорошо предсказываются в Стандартной модели, и смотрят, насколько эти наблюдения совпадают с предсказаниями теории. Если вы увидите расхождение, то это будет очень четкое указание на то, что есть новая частица», — сказал Голутвин.
По его словам, физики надеялись, что вероятность димюонного распада Bs-мезона окажется в несколько раз выше.
«Но вот появился первый результат LHCb, и он, к сожалению, такой же, как в Стандартной модели. Сегодня мы видим около 15 событий. Точность пока очень маленькая, но уже ясно, что больших отклонений от Стандартной модели нет. Вероятность того, что есть большое превышение, практически исключена», — сказал Голутвин.
Это означает, в частности, что суперсимметричные модели, скорее всего, не соответствуют реальности.
За пределами Стандартной модели
Несмотря на впечатляющий успех в описании экспериментов, Стандартная модель не может считаться окончательной теорией элементарных частиц. У нее есть свои трудности. Физики уверены, что она должна быть частью некоторой более глубокой теории строения микромира, той частью, которая видна в экспериментах на коллайдерах при энергиях ниже примерно 1 ТэВ. Главная задача Большого адронного коллайдера — получить хотя бы первые намеки на то, что это более глубокая теория.
Теоретики разработали большое число кандидатов на такую модель. Все они, естественно, включают какие-то элементы, которые отсутствуют в Стандартной модели. Часто такие теории коллективно называют «Новая физика» или «За пределами Стандартной модели». Далее перечислены некоторые из активно изучаемых вариантов Новой физики.
И вот появилось сообщение от 16. 12. 15 г., физики ЦЕРН, возможно, нашли первые следы «новой физики» на БАК. Первичный анализ данных, собранных на обновленном Большом адронном коллайдере после его перезапуска, указывает на существование сверхтяжелых бозонов массой в 1500 ГэВ, что может говорить о наличии процессов, не укладывающихся в Стандартную модель физики, сообщает сайт журнала Nature. В начале этой недели в социальных сетях и в микроблогах начали распространяться слухи о том, что БАК удалось обнаружить следы «новой физики» в виде сверхтяжелого бозона, чей распад порождает пары фотонов с энергией в 750 гигаэлектронвольт. Для сравнения, масса бозона Хиггса составляет 126 ГэВ, а топ-кварк, самая тяжелая элементарная частица, весит 173 ГэВ, что почти в 10 раз меньше. Эти слухи были подтверждены главами коллабораций ATLAS и CMS, работающими с одноименными детекторами в «кольце» БАК. По словам Маруми Кадо (Marumi Kado) из ATLAS'а и Джима Олсена (Jim Olsen) из CMS, ученые изначально искали следы другой, пока не обнаруженной частицы, так называемого гравитона, отвечающей за гравитационные взаимодействия. Ее существование было предсказано советскими физиками Федором Гальпериным и Дмитрием Блохинцевым в 1934 году, и ученые надеялись, что увеличение мощности БАК поможет понять, существуют ли гравитоны на самом деле или их нет. Новая частица, чьи предположительные следы были замечены на CMS и ATLAS, в принципе может оказаться гравитоном, или же каким-то другим типом бозонов. О каких-то результатах пока говорить рано, как подчеркивают и Олсен, и Кадо, так как число обнаружений — около 40 для ATLAS и около 10 для CMS — пока не является статистически значимым. Вполне возможно, что данные результаты являются случайными совпадениями, которые «рассосутся» по мере накопления новых данных о столкновениях протонов. По прогнозам ученых, первые достоверные оценки того, является ли обнаруженный ими феномен новой частицей, выходящей за пределы Стандартной модели физики, можно будет говорить только в 2016 году, когда БАК получит примерно в 10 раз больше данных по столкновениям, чем в этом году... Суперсимметрия — это гипотетическая симметрия между фермионами и бозонами. Теории, использующие эту идею, оказываются удивительно мощными, и потому именно с суперсимметрией многие связывают надежды на открытие физики за пределами Стандартной модели. Однако до сих пор не было получено ни одного убедительного доказательства в пользу того, что суперсимметрия реализуется в нашем мире. Ее поиск является одной из главных задач Большого адронного коллайдера.
Теория суперсимметрии (SUSY) предполагает, что у всех известных элементарных частиц существуют «двойники» — суперсимметричные частицы, которые «родились» вместе с «обычными» частицами в момент Большого взрыва. Затем суперсимметричные частицы стали намного тяжелее обычного вещества и распались, а их «остатки» образовали «темную материю», из которой почти на четверть состоит Вселенная.
Почитать Суперсимметричные теории
Теория объединенных взаимодействий
Константы связи трех взаимодействий частиц в микромире сходятся к одному значению, если имеющиеся сейчас данные экстраполировать в область очень высоких энергий. Это совпадение считается неслучайным и воспринимается физиками как намек на то, что все три взаимодействия при больших энергиях объединяются в одно.
В XIX веке физики обнаружили, что электричество и магнетизм — это две стороны одной медали, электромагнитного взаимодействия. Век спустя, при создании Стандартной модели, электромагнетизм и слабые ядерные силы были объединены в рамках единого электрослабого взаимодействия. (Точнее говоря, внутри электрослабого взаимодействия имеются по-прежнему две разные силы, а электромагнитное и слабое взаимодействия возникают как комбинации этих сил.) Каждое такое объединение упрощало теорию, уменьшало количество введенных в нее «сущностей», переводило наше понимание микромира на новый уровень.
Сейчас физики имеют сразу несколько причин подозревать, что при очень высоких энергиях происходит объединение электрослабого и сильного взаимодействий. Модели, использующие эту идею (так называемые Теории великого объединения) разрабатываются уже давно. В идеале хотелось бы, чтобы такая теория естественным образом объясняла, почему фундаментальных взаимодействий именно столько и именно с такими свойствами, а также имела четкие предсказания, доступные проверке в современных экспериментах.
Теории с сильной гравитацией
При энергиях элементарных частиц, доступных на ускорителях, гравитация по-прежнему остается исключительно слабой, так что заметить ее проявления не удается. Однако ее сила растет с ростом энергии, и при энергиях столкновения порядка планковской она станет столь же важной, как и другие взаимодействия. В этом случае в полный рост встает исключительно сложный вопрос о том, как включить гравитацию в квантовое описание микромира. Поскольку гравитация в современной физике считается проявлением кривизны пространства-времени, успешная теория с сильной гравитацией должна описывать в рамках единого формализма не только все взаимодействия и всё вещество, но и структуру пространства-времени.
Почитать Заглянуть за параллели
Одним из наиболее привлекательных путей решения этого вопроса является теория суперструн и ее дальнейшее развитие в виде теории бран и М-теории. В этих теориях считается, что фундаментальными объектами, существующими в многомерной вселенной, являются не точечные частицы, а протяженные объекты — струны, мембраны и еще более многомерные образования. В этой теории были получены впечатляющие успехи при высоких энергиях, однако при попытке вывести свойства нашего низкоэнергетического мира из теории суперструн возникает обескураживающая неопределенность предсказаний.
Долгое время казалось, что проверка предсказаний теории суперструн лежит далеко за пределами возможностей человечества, поскольку речь идет об энергиях, на 15 порядков превышающих энергии современных ускорителей. Однако примерно 10 лет назад возникло новое направление развития теории, в котором гравитация становится сильной на энергиях порядка 1 ТэВ. Такая возможность возникает в том случае, если наш мир более чем трехмерный и если при этом новые дополнительные пространственные размерности достаточно протяженны: либо они бесконечны, либо свернуты в многомерные петельки размером много больше ядерного масштаба.
В этом случае на LHC следует ожидать целый ряд совершенно замечательных эффектов, отсутствующих в Стандартной модели, например, рождение гравитонов, которые будут улетать из нашего мира в дополнительные измерения, и микроскопических черных дыр, тут же испаряющихся с испусканием множества обычных частиц. Будут также наблюдаться сильные отклонения от предсказаний Стандартной модели в столкновении обычных частиц. Стоит, впрочем, подчеркнуть, что пока нет никаких экспериментальных подтверждений того, что эта красивая гипотеза имеет отношение к нашему миру.
Новые частицы и взаимодействия
Квирки — одна из экзотических гипотез, которые будут проверяться на LHC. При разделении квирк-антиквирковой пары натягивается силовая струна, которая не может порваться и вырастает до макроскопических размеров.
Все три перечисленные выше направления «Новой физики» опираются на глубокие теоретические гипотезы об устройстве нашего мира (суперсимметрия, единство сил, квантово-гравитационная вселенная). Однако, кроме этих направлений теоретики также рассматривают разнообразные теории «статусом пониже». В этих теориях просто отмечается, что текущие экспериментальные данные не запрещают те или иные экзотические объекты или явления, и разрабатываются их следствия. Вот несколько примеров таких моделей разной степени экзотичности.
Неминимальные хиггсовские модели. Поскольку хиггсовские бозоны — единственные частицы Стандартной модели, до сих пор не открытые экспериментально, теоретики изучают самые разные варианты устройства этого сектора теории.
Новые поколения фермионов. Можно предположить, что кроме трех известных поколений кварков и лептонов существуют и другие поколения. Частицы из этих поколений должны быть очень тяжелыми, иначе бы их уже давно открыли в эксперименте.
Новые короткодействующие силы. В таких моделях предполагается, что в нашем мире есть и иные силовые взаимодействия, отличные от сильных, слабых и электромагнитных, но они настолько короткодействующие, что до сих пор никак не проявлялись в эксперименте. На Большом адронном коллайдере благодаря его рекордной энергии удается «прощупать» взаимодействия частиц на исключительно малых расстояниях (менее 10–19 метра), а значит, появляется шанс эти взаимодействия обнаружить. Они могут проявляться либо как рождение и распад частицы-переносчика новых сил (такие гипотетические частицы обозначают Z'), либо как усиленное рассеяние частиц на большие углы.
Лептокварки. В Стандартной модели и в подавляющем большинстве теорий Новой физики кварки и лептоны взаимодействуют друг с другом опосредованно, путем обмена квантами силовых полей. Однако можно представить себе возможность того, что кварки и лептоны исходно являлись фермионами одного типа и лишь потом расщепились на два разных сорта. В таком случае должны существовать новые тяжелые частицы — лептокварки, — которые распадаются прямо на кварк и лептон. Подобные частицы встречаются в теориях Великого объединения.
Квирки. Одним из очень необычных и любопытных вариантов новых сил является гипотеза квирков (quirks). Эта модель построена по типу обычного сильного взаимодействия: в ней предполагается, что существует новое силовое поле с конфайнментом и новые частицы, его чувствующие. Если частицы очень тяжелые, то между ними будут натягиваться длинные, даже макроскопические силовые струны, которые не смогут порваться.
«Скрытая долина» (Hidden valley). В гипотезе «скрытой долины» предполагается существование целого сектора новых частиц и новых взаимодействий, которые однако не взаимодействуют с «нашими» частицами и «нашими» силами. Этот сектор может быть устроен очень сложно; более того, таких секторов может быть много, но заметить их (за исключением гравитационного воздействия на астрономических масштабах) будет нелегко. Тем не менее могут существовать «лазейки в скрытую долину», например, посредством хиггсовского бозона, которые могут «открыться» при больших энергиях столкновений частиц.
Субструктура фундаментальных частиц. После того как атом расщепили на ядро и электроны, ядро расщепили на протоны и нейтроны, а внутри них, в свою очередь, углядели кварки, кажется естественной гипотеза о том, что кварки, лептоны, а может быть даже и частицы-переносчики силовых полей тоже состоят из каких-то более компактных частиц — преонов. Кажется также правдоподобным, что из небольшого числа исходных преонов должно быть возможным построить всё разнообразие известных на сегодня частиц. К сожалению, несмотря на десятилетия исследований, до сих пор нет никакой достаточно убедительной реализации этой идеи. Тем не менее гипотезу о том, что у кварков, лептонов и калибровочных бозонов есть внутренняя структура, не стоит сбрасывать со счетов.
http://news.rambler.ru/16333870/
http://elementy.ru/trefil/21207
http://elementy.ru/LHC/HEP/SM/beyondSM
Послесловие
При появление таких сообщений надо всегда помнить, что оборудование и данный детоктор настроен и создан под стандартную модель и, следовательно, в принципе не может обнаружит нечто иное...
Следует заметить, после появления сообщения о том, что нейтрино перемещаются быстрее фотонов света, что открывало бы невероятные космические горизонты перед человечеством, через непродолжительное время было успешно опровергнуто, а ученого фактически подвегли абструкции и он потерял ученую степень и работу... Сообщение явно не вписывалось в стандартную модель.
Как следствие, работы на коллаэдре не направлены на научные изыскания. И при первых тех или иных результатах сворачиваются. Значит, как и ожидалось главная цель получение нового оружия - на основе антиматерии ( антивещества ), для замены, устаревающего атомного оружия.
Почитать Антилазер
Эффективность атомной бомбы, несмотря на всю ее жуткую мощь, составляет всего около 1%. В энергию переходит лишь крохотная часть массы урана. А вот бомба из антиматерии, если бы такую удалось создать, превращала бы в энергию 100% своей массы, и потому была бы гораздо более эффективной, чем атомная бомба. (Точнее, в «полезную» взрывную энергию в такой бомбе превратилось бы около 50% вещества; оставшаяся часть массы была бы унесена в пространство почти необнаружимыми частицами — нейтрино). Хотя, и существует проблема удержания антивещества в некой емкости, так как при взаимодействии материя и антиматерия аннигилируют- происходит взрыв.
Вся "прелесть" нового оружия в том, что не происходит значительных радиоактивных загрязнений, при его невероятной компактности. Так, например, как ожидается, что такая игрушка со спичечный коробок N массы и зарядом в менее 0,5 г антивещества была бы эквивалентна бомбе, разрушившей Хиросиму.
http://news.rambler.ru/science/32246988/
| |
|
| |
| Всего комментариев: 0 | |