Новые данные с Большого адронного коллайдера указывают на существование явлений, необъяснимых в рамках современной физики
Физики, работающие с Большим адронным коллайдером (БАК) в ЦЕРНе в Женеве, заявляют, что недавние эксперименты могут указывать на существование неизвестной физики, способной бросить вызов Стандартной модели. Стандартная модель, на протяжении более полувека считавшаяся доминирующей теорией в современной физике, теперь сталкивается с интригующими намеками, полученными в ходе экспериментов на БАК, которые предполагают, что поведение субатомных частиц может не соответствовать этому устоявшемуся взгляду на устройство Вселенной.
Эти открытия были подробно описаны физиками Уильямом Бартером из Эдинбургского университета и Марком Смитом из Имперского колледжа Лондона в недавней статье, опубликованной в издании The Conversation, где излагаются результаты, принятые к публикации в журнале Physical Review Letters. Если эти выводы подтвердятся, они могут добавиться к накапливающимся данным, которые помогут опровергнуть господствующую модель, лежащую в основе большей части современных представлений физиков о явлениях, наблюдаемых в космосе.
Согласно Стандартной модели, существует четыре фундаментальных взаимодействия, управляющих явлениями во Вселенной: гравитация, электромагнетизм, слабое и сильное взаимодействия. Все они влияют на поведение частиц вплоть до их мельчайших составляющих — субатомных частиц. Хотя Стандартная модель многое объясняет, в этой давней загадке остаются недостающие фрагменты. По словам Бартера и Смита, Стандартная модель — это наше лучшее понимание фундаментальных частиц и взаимодействий, но мы знаем, что она не может быть полной картиной. Ученые утверждают, что текущая общепринятая модель не объясняет, например, гравитацию или темную материю.
В настоящее время физики используют БАК для столкновения частиц, создавая условия, напоминающие те, что были вблизи начала возникновения Вселенной. Это позволяет исследователям получить редкую возможность увидеть неизвестную физику через образование необычных состояний материи. Согласно недавним результатам эксперимента LHCb, был исследован распад субатомных частиц, называемых B-мезонами, и результаты, по-видимому, расходятся с большинством предсказаний Стандартной модели. Такие эксперименты направлены на проверку теорий, выдвинутых Эйнштейном более века назад. Физики могут сравнивать измерения, сделанные на таких установках, как БАК, с предсказаниями Стандартной модели, чтобы строго проверить теорию.
Бартер и Смит отмечают, что, несмотря на известную неполноту Стандартной модели, за более чем 50 лет все более строгих проверок физикам элементарных частиц еще не удалось найти в ней изъян. Однако это может измениться. Растущее количество доказательств указывает на трещины в Стандартной модели, в частности, на результаты эксперимента на БАК, впервые доложенные в начале 2025 года. Хотя результаты эксперимента CMS не столь точны, как данные LHCb, они хорошо согласуются друг с другом, укрепляя позиции исследователей. Новые результаты, связанные с так называемым «электрослабым пингвинным распадом», указывают на специфический процесс, в ходе которого происходит превращение короткоживущих частиц. В случае недавних экспериментов на БАК это относится к распаду B-мезона на четыре различные субатомные частицы: два мюона, каон и пион.
Измеряя таким образом распад B-мезона, физики могут изучать, как частица, известная как «прелестный кварк», превращается в другой тип фундаментальной частицы — загадочный «странный кварк». Как отмечают Бартер и Смит, наблюдение пингвинного распада в таких условиях чрезвычайно редко в рамках Стандартной модели, поскольку ожидается, что он будет происходить лишь примерно один раз на каждый миллион существующих B-мезонов. Тем не менее, недавние измерения команды дали наиболее точные на сегодняшний день цифры того, как часто ожидается этот процесс, и эти цифры просто не совпадают с предсказанными Стандартной моделью. Пингвинные процессы уникально чувствительны к эффектам потенциально очень тяжелых новых частиц, которые не могут быть созданы непосредственно на БАК. Эти недавние наблюдения добавляются к растущему числу подобных, зафиксированных физиками за последнее столетие, причем все большее их число происходит в последние десятилетия благодаря возможностям БАК.
Исследования редких процессов позволяют ученым изучать те области природы, которые иначе стали бы доступны только с помощью коллайдеров частиц, запланированных на 2070-е годы. Такие исследования на переднем крае физики указывают на необходимость новых теорий, которые помогли бы объяснить полученные результаты. Некоторые из них включают в себя различные типы новых частиц, известных как «лептокварки», тогда как другой подход предполагает существование еще более тяжелых типов частиц, соответствующих Стандартной модели. Хотя эти результаты захватывающие, исследователи подчеркивают, что пока еще существуют вопросы, которые мешают с готовностью принять совершенно новую физику за пределами Стандартной модели. Тем не менее, теоретические модели в сочетании с экспериментальными данными LHCb с трудом могут объяснить аномалии в этих выводах.
В будущем физики, можно надеяться, смогут подтвердить такие результаты. Авторы отмечают, что, хотя в период с 2011 по 2018 год было зарегистрировано почти 650 миллиардов распадов B-мезонов, что позволило обнаружить так называемые «пингвинные распады», недавний эксперимент LHCb уже позволил зарегистрировать в три раза больше B-мезонов. В ближайшие десятилетия модернизация БАК должна обеспечить еще больший массив данных, что в конечном итоге позволит подтвердить, действуют ли во Вселенной необъяснимые факторы, и потенциально приведет к фундаментальному пересмотру нашего понимания физики того, как устроен мир.
Исследование в журнале Physical Review Letters.