Forskere som jobber i CMS-samarbeidet rapporterte om den sannsynlige oppdagelsen av en ukjent partikkel som råtnet til muoner med en totalmasse på 28 GeV. Foreløpig spår ingen teoretisk modell eksistensen av denne partikkelen, men forskere håper at denne avviket ikke er et resultat av en statistisk feil. Observasjonsfortrykk er tilgjengelig i arXiv.org-depotet. Vi vil fortelle deg i detalj om studien, som kan vise seg å være både et gjennombruddfunn og et annet puff.
Hellish spiral
Compact Muon Solenoid, eller CMS (Compact Muon Solenoid), er en stor elementær partikkeldetektor som ligger ved Large Hadron Collider (LHC). Denne gigantiske enheten med en diameter på 15 meter og en vekt på 15 tusen tonn er designet for å søke etter New Physics - fysikk utover standardmodellen. Hvis standardmodellen beskriver egenskapene til alle kjente elementære partikler (og noen er ennå ikke bekreftet), prøver hypoteser innenfor rammen av New Physics å forklare forskjellige fenomener som fremdeles er et mysterium for forskere.
I følge en av hypotesene - supersymmetri - tilsvarer hver kjente elementære partikkel en superpartner med en tyngre masse. For eksempel er partneren til elektronet, som er fermion, selectron boson, og partneren til gluon (som er boson) er gluino fermion. Mangelen på resultater for å bekrefte supersymmetri har imidlertid ført til at denne modellen blir forlatt av flere og flere forskere.
Proton-proton kollisjoner finner sted inne i detektoren. Hver proton består av tre kvarker som holdes sammen av gluonfeltet. I en høy hastighet, sammenlignbar med lysets hastighet, blir gluonfeltet til en "suppe" av partikler - gluoner. I en frontkollisjon av protoner, er det bare noen få kvarker eller gluoner som interagerer med hverandre, resten av partiklene flyr uten hinder. Reaksjoner finner sted som produserer mange kortvarige partikler, og forskjellige CMS-detektorer registrerer sine forfallsprodukter, inkludert muoner. Muons ligner elektron, men 200 ganger mer massiv.
Ved hjelp av detektorer som er plassert utenfor magnetventilen, er forskere i stand til å spore banene til muoner med høy nøyaktighet og bestemme nøyaktig hva som forårsaket utseendet til en bestemt partikkel. Det kreves et stort antall proton-proton-kollisjoner for å øke sjansene for å produsere en sjelden partikkel som går i oppløsning i muoner. Dette genererer en astronomisk datamengde (ca. 40 terabyte per sekund), og for raskt å finne noe uvanlig i dem, brukes et spesielt triggersystem som bestemmer hvilken informasjon som skal registreres.
Salgsfremmende video:
Spøkelset inne
CMS, sammen med ATLAS-detektoren, også lokalisert ved LHC, ble brukt til å søke etter Higgs-boson forutsagt av Standard Model. Denne partikkelen er ansvarlig for massen til W- og Z-bosonene (bærere av det svake samspillet) og mangelen på masse i foton og gluon. I 2012 ble Higgs-bosonet med en masse på 125 GeV oppdaget. Imidlertid tror forskere at det kan være andre Higgs-bosoner med lavere masse utenfor standardmodellen. De er spådd av to-dubletten Higgs-modellen og NMSSM (neste til minimale supersymmetriske standardmodell). Til tross for alle eksperimentelle tester, har forskere fremdeles ikke klart å bevise eller motbevise disse hypotesene.
Forskere ved CMS leter etter andre lette eksotiske partikler. Disse inkluderer for eksempel mørke fotoner - bærere av en helt ny grunnleggende interaksjon, som minner om det elektromagnetiske, og som er analoge med fotoner for mørk materie. En annen hypotetisk partikkel er den mørke analogen til Z-boson.
Fysikere har utført et eksperiment for å finne bevis for eksistensen av en lett boson, som sendes ut av et par pene kvarker (b-kvarker) og forfaller til en muon og en anti-muon. Under eksperimentet i proton-proton-kollisjoner ved en energi i sentrum av massesystemet (et system hvor partikler har like og motsatt rettet moment) lik 8 TeV, ble det registrert en rekke hendelser som sannsynligvis er assosiert med en hypotetisk boson.
Den første typen hendelser inkluderer utseendet til en jet av b-quarks i midten av detektoren og dens fremre del, og den andre - utseendet til to jetfly i sentrum og ikke en eneste jet i den fremre delen. I begge tilfeller ble et overskudd av de nye par av muoner observert, og massen av parene, som vist ved etterfølgende analyse, nådde 28 GeV. Forskjellen i antall muonpar fra bakgrunnsverdier for hendelser av den første typen er 4,2 standardavvik (sigma), og for hendelser av den andre typen er det 2,9 sigma.
Fysikkens død
I partikkelfysikk indikerer en forskjell på fem sigma en viss eksistens av en anomali som ikke kunne ha oppstått ved en tilfeldighet. Imidlertid, hvis forskjellen ligger i 3-5 sigma-området, sier fysikere at dette bare indikerer eksistensen av en ny partikkel. I sistnevnte tilfelle er det nødvendig å skaffe mye mer data for å bekrefte (eller tilbakevise) resultatet, for å utelukke feil i databehandling og tolkning. Hvis alt er bekreftet, kan vi si at muoner oppstår på grunn av forfallet av en partikkel av New Physics.
Dette er ikke første gang et fenomen er blitt observert ved LHC som ikke passer inn i standardmodellen. I 2016 kunngjorde fysikere funnet av tegn til eksistensen av en resonans tilsvarende en massiv kortvarig partikkel. Den ble registrert i 2015 som et overskudd av par fotoner med en total masse på 750 GeV, der denne partikkelen visstnok forfaller. Med andre ord, denne partikkelen skal ha vært seks ganger mer massiv enn Higgs boson. Analyse av dataene som ble samlet inn hos collideren senere bekreftet imidlertid ikke dette resultatet.
Til nå har ikke fysikere funnet noen pålitelige spor etter eksistensen av ny fysikk. Det er imidlertid ingen tvil om at den burde eksistere, fordi standardmodellen ikke er i stand til å forklare slike fenomener som problemet med hierarkiet til fermionmasser (en hypotetisk Goldstone-boson introduseres for å løse den), eksistensen av masse i nøytrinoer, asymmetrien til materie og antimaterie, opprinnelsen til mørk energi og andre. Selve tilstedeværelsen av mørk materie i universet forutsetter en hel klasse av hypotetiske partikler med eksotiske egenskaper som utgjør det. Paradoksalt nok er alt som forskere har klart å gjøre så langt, å eksperimentelt bekrefte den utmattede standardmodellen.
Noen forskere antyder at hvis det er mulig å bevise den nye fysikken, så bør dette gjøres i løpet av nærmeste fremtid, i løpet av de neste årene. Ellers vil det være mulig å alvorlig frykte at menneskeheten ikke lenger vil være i stand til å gjøre betydelige funn. Det er oppmuntrende at det har blitt funnet flere og flere avvik på gasspedaler den siste tiden, og antydet at forskere er på grensen til noe helt nytt.
Alexander Enikeev
