Ученые из Cern недавно обнаружили четыре новых частицы, используя крупнейший в мире измельчитель атомов в Женеве. Физики элементарных частиц Патрик Коппенбург и Гарри Клифф рассматривают последние открытия Большого адронного коллайдера и выясняют, почему открытие этих частиц так важно.
Этот месяц — время праздновать. Церн только что объявил об открытии четырех совершенно новых частиц на Большом адронном коллайдере (LHC) в Женеве. Это означает, что LHC теперь обнаружил в общей сложности 59 новых частиц в дополнение к бозону Хиггса, получившему Нобелевскую премию, с тех пор как в 2009 году он начал сталкиваться с протонами — частицами, составляющими атомное ядро вместе с нейтронами.
Цель LHC — исследовать структуру вещества на кратчайших расстояниях и при самых высоких энергиях, когда-либо исследованных в лаборатории, — проверяя нашу лучшую на данный момент теорию природы: Стандартную модель физики элементарных частиц. И БАК принес пользу — он позволил ученым открыть бозон Хиггса, последнюю недостающую часть модели. Тем не менее, теория все еще далека от полного понимания.
Одна из наиболее неприятных особенностей — это описание сильной силы, которая удерживает атомное ядро вместе. Ядро состоит из протонов и нейтронов, каждая из которых, в свою очередь, состоит из трех крошечных частиц, называемых кварками (есть шесть различных типов кварков. Если бы мы отключили сильное взаимодействие на секунду, вся материя немедленно распалась бы на суп из рыхлых кварков — состояние, которое существовало в течение мимолетного мгновения в начале Вселенной.
Не поймите нас неправильно: теория сильного взаимодействия, претенциозно названная «квантовой хромодинамикой», имеет очень прочную основу. Он описывает, как кварки взаимодействуют посредством сильного взаимодействия, обмениваясь частицами, называемыми глюонами. Вы можете думать о глюонах как о аналогах более знакомого фотона, частицы света и носителя электромагнитной силы.
Однако из-за того, как глюоны взаимодействуют с кварками, сильная сила ведет себя совсем не так, как электромагнетизм. В то время как электромагнитная сила становится слабее, когда вы разрываете две заряженные частицы, сильная сила фактически становится сильнее, когда вы разрываете два кварка. В результате кварки навсегда заперты внутри частиц, называемых адронами, — частиц, состоящих из двух или более кварков, — включая протоны и нейтроны. Если, конечно, вы не разобьете их на невероятной скорости, как это делают в Cern.
Еще больше усложняет ситуацию то, что все частицы в стандартной модели имеют античастицы, которые почти идентичны самим себе, но с противоположным зарядом (или другим квантовым свойством). Если вы вытащите кварк из протона, сила в конечном итоге станет достаточно сильной, чтобы создать пару кварк-антикварк, при этом вновь созданный кварк войдет в протон. В итоге вы получаете протон и новый «мезон», частицу, состоящую из кварка и антикварка. Это может показаться странным, но согласно квантовой механике, которая управляет Вселенной в мельчайших масштабах, частицы могут вылетать из пустого пространства, сообщает kratko-news.com.
Это неоднократно доказывалось экспериментами — мы никогда не видели одинокого кварка. Неприятная особенность теории сильного взаимодействия состоит в том, что расчеты того, что было бы простым процессом в электромагнетизме, могут оказаться невероятно сложными. Поэтому мы не можем (пока) теоретически доказать, что кварки не могут существовать сами по себе. Что еще хуже, мы не можем даже подсчитать, какие комбинации кварков были бы жизнеспособными в природе, а какие — нет.
Когда кварки были впервые открыты, ученые поняли, что теоретически возможно несколько комбинаций. Сюда входят пары кварков и антикварков (мезоны); три кварка (барионы); три антикварка (антибарионы); два кварка и два антикварка (тетракварк); и четыре кварка и один антикварк (пентакварк) — при условии, что количество кварков минус антикварки в каждой комбинации кратно трем. Долгое время в экспериментах наблюдались только барионы и мезоны. Но в 2003 году эксперимент Belle в Японии обнаружил частицу, которая никуда не вписывалась. Это оказался первый из длинной серии тетракварков. В 2015 году эксперимент LHCb на LHC обнаружил два пентакварка. Четыре новых частицы, которые мы недавно обнаружили, являются тетракварками с парой очарованных кварков и двумя другими кварками. Все эти объекты являются частицами точно так же, как протон и нейтрон являются частицами. Но это не элементарные частицы: кварки и электроны — настоящие строительные блоки материи.
Очаровательные новые частицы
БАК обнаружил 59 новых адронов. К ним относятся недавно обнаруженные тетракварки, а также новые мезоны и барионы. Все эти новые частицы содержат тяжелые кварки, такие как «очарование» и «дно».
Эти адроны интересно изучать. Они говорят нам, что природа считает приемлемым связанное сочетание кварков, пусть даже на очень короткое время. Они также говорят нам, что не нравится природе. Например, почему все тетра- и пентакварки содержат пару чарм-кварк (за одним исключением)? И почему нет соответствующих частиц с парами странных кварков? В настоящее время нет объяснения.
Другая загадка заключается в том, как эти частицы связаны друг с другом сильной силой. Одна школа теоретиков считает их компактными объектами, такими как протон или нейтрон. Другие утверждают, что они похожи на «молекулы», образованные двумя слабосвязанными адронами. Каждый недавно обнаруженный адрон позволяет экспериментировать с измерением его массы и других свойств, которые говорят нам кое-что о том, как ведет себя сильное взаимодействие. Это помогает преодолеть разрыв между экспериментом и теорией. Чем больше адронов мы сможем найти, тем лучше мы сможем настроить модели на экспериментальные факты.
Эти модели имеют решающее значение для достижения конечной цели LHC: найти физику за пределами стандартной модели. Несмотря на свои успехи, стандартная модель, конечно, не последнее слово в понимании частиц. Например, это несовместимо с космологическими моделями, описывающими формирование Вселенной.
LHC ищет новые фундаментальные частицы, которые могли бы объяснить эти расхождения. Эти частицы могут быть видны на LHC, но спрятаны на фоне взаимодействия частиц. Или они могут проявляться как небольшие квантово-механические эффекты в известных процессах. В любом случае, чтобы найти их, необходимо лучшее понимание сильного взаимодействия. С каждым новым адроном мы улучшаем наши знания о законах природы, что приводит нас к лучшему описанию самых фундаментальных свойств материи.
Патрик Коппенбург , научный сотрудник по физике элементарных частиц, Голландский национальный институт субатомной физики, и Гарри Клифф , физик элементарных частиц, Кембриджский университет.
