[Перевод] Нашли ли мы пятое фундаментальное взаимодействие?
Когда то, что мы предсказываем не совпадает с тем, что мы измеряем, это признак того, что нам предстоит узнать что-то новое. Может быть, на этот раз мы нашли новое фундаментальное взаимодействие?
Кварки и антикварки, взаимодействующие с помощью сильных ядерных взаимодействий, имеют цветовые заряды — красный, зелёный и синий (для кварков) и голубой, пурпурный и жёлтый (для антикварков). Любая бесцветная комбинация, состоящая из красного + зелёного + синего, голубого + жёлтого + пурпурного или соответствующей комбинации цвета и антицвета, разрешена правилами сильного ядерного взаимодействия. Если в этих хорошо изученных системах появятся новые явления, они могут свидетельствовать о существовании новой фундаментальной силы, выходящей за рамки четырёх известных.
Несмотря на всё, что мы уже узнали о природе Вселенной — от фундаментального, элементарного уровня до самых больших космических масштабов, — мы абсолютно уверены, что нам ещё предстоит совершить множество великих открытий. Наши современные лучшие теории впечатляют: квантовые теории поля, описывающие электромагнитное взаимодействие, а также сильные и слабые ядерные взаимодействия, с одной стороны, и общая теория относительности, описывающая эффекты гравитации, с другой стороны. Где бы нашим теориям ни бросали вызов, от субатомных до космических масштабов, они всегда выходили победителями. И всё же они просто не могут отразить абсолютно всё, что существует на свете.
Есть много загадок, которые на это намекают. С помощью нынешней физики мы не можем объяснить, почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии. Мы также не понимаем, какова природа тёмной материи, является ли тёмная энергия чем-то иным, кроме космологической константы, и как именно произошла космическая инфляция, создавшая условия для горячего Большого взрыва. И на фундаментальном уровне мы не знаем, объединяются ли каким-то образом все известные силы под неким всеобъемлющим зонтиком.
У нас есть подсказки, что во Вселенной есть нечто большее, чем то, что мы знаем на сегодняшний день, но есть ли среди них новая фундаментальная сила? Хотите верьте, хотите нет, но у нас есть два совершенно разных подхода, чтобы попытаться найти ответ на этот вопрос.
Событие-кандидат Хиггса в детекторе ATLAS на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе. Обратите внимание на то, что даже при наличии чётких сигнатур и поперечных треков, есть целый дождь других частиц; это связано с тем, что протоны — составные частицы, и с тем, что при каждом пересечении пучка происходят десятки протон-протонных столкновений. При более высоких энергиях становятся возможными открытия, которые не появляются при более низких энергиях. Современные детекторы частиц похожи на слоёный пирог, и позволяют отслеживать обломки частиц, чтобы восстановить произошедшее как можно ближе к точке столкновения.
Подход № 1: грубая сила
Если вы хотите открыть что-то доселе неизвестное во Вселенной, один из подходов — просто исследовать её более экстремальным способом, чем раньше. Такие планы, как:
построить телескоп, позволяющий заглянуть дальше в прошлое или с более высоким разрешением, чем когда-либо прежде,
построить ускоритель частиц, способный сталкивать частицы с большей энергией, чем когда-либо прежде,
или разработать аппарат для охлаждения материи ближе к абсолютному нулю, чем когда-либо прежде,
всё это примеры подхода, основанного на «грубой силе». Исследуйте Вселенную в более экстремальных условиях, чем раньше, и это может открыть что-то шокирующее, удивительное и, что самое главное, интересное.
И это направление развития необходимо всегда держать в уме, так как наши нынешние пределы познаний существуют только из-за ограничений наших технологий на тот момент, когда мы делали последние значительные инвестиции в их развитие. С улучшением технологий и возможностью инвестировать в эти (и подобные им) подходы мы сможем постоянно расширять пределы человеческих знаний на всех значимых рубежах. В науке мы говорим о преодолении прежних границ с точки зрения перехода в новое «пространство открытий», и иногда — как в XX веке, когда мы вскрыли атомное ядро, — именно оттуда приходят новые фундаментальные вещи.
Столкновение двух частиц может привести к тому, что заряженные компоненты окажутся очень близко, что позволит нам проверить природу различных силовых законов. При столкновении двух протонов могут столкнуться не только составляющие их кварки, но и морские кварки, глюоны, а также полевые взаимодействия. Всё это может дать представление о спине отдельных компонентов и позволит нам создать потенциально новые частицы при достижении достаточно высоких энергий и светимости. Это один из способов поиска новых фундаментальных взаимодействий.
Подход № 2: высокая точность
В качестве альтернативы можно признать, что наши нынешние теории дают очень точные предсказания, и если мы сможем экспериментально провести измерения с такой же высокой точностью, то сможем увидеть, есть ли какие-либо отклонения от предсказаний, которые подтверждаются экспериментами и наблюдениями. Это может произойти разными путями, в том числе:
при изучении всё большего числа частиц, столкновений или событий,
при управлении работой экспериментальной аппаратуры с большей точностью,
от повышения чистоты образцов,
и так далее. По сути, каждый раз, когда вы пытаетесь увеличить соотношение сигнал/шум того, что вы пытаетесь измерить, будь то с помощью статистики, усовершенствованных экспериментальных процедур или устранения известных источников ошибок, вы можете увеличить точность, с которой вы можете исследовать Вселенную.
Именно такие высокоточные подходы во многих отношениях наиболее перспективны для обнаружения ново го взаимодействия: если вы видите эффект — даже в 10-м или 12-м знаке после запятой — который не согласуется с вашими теоретическими предсказаниями, это может быть намёком на то, что тут работает новое взаимодействие. Пока мы не обнаружили ни одной силы, кроме известных четырёх, но есть много высокоточных областей исследования, где это может произойти.
Точность, с которой коллаборация CDF измерила массу W-бозона, используя старые данные Тэватрона, указывает на беспрецедентное несоответствие между предсказаниями Стандартной модели и тем, что мы наблюдаем. С точки зрения экспериментальной физики частиц это может быть лучшим доказательством физики за пределами Стандартной модели, но может быть и ложным результатом. В любом случае детекторы CMS и ATLAS на БАК должны либо подтвердить, либо опровергнуть эти выводы.
Главное — искать то, что мы называем «аномалиями», то есть места, где теория и эксперимент расходятся. В 2015 году эксперимент по ядерной физике дал результаты, которые, казалось, противоречили очень конкретным предсказаниям того, что должно происходить, когда создаётся нестабильное ядро бериллия-8 в возбуждённом состоянии. В теории бериллий-8 обычно распадается на два ядра гелия-4. В возбуждённом состоянии он должен распадаться на фотон и два ядра гелия-4. При этом выше определённой энергии фотона есть вероятность того, что вместо фотона и двух ядер гелия-4 вы получите электронно-позитронную пару и два ядра гелия-4.
Эксперимент должен был измерить угол, под которым в событиях, порождающих электронно-позитронную пару, эти две частицы, электрон и позитрон, разлетались друг относительно друга. Эксперимент 2015 года, проведённый под руководством Аттилы Краснахоркай, показал, что существует небольшой, но значимый избыток событий, в которых электрон и позитрон разлетаются под большими углами друг относительно друга: около 140 градусов и больше. Это стало известно как аномалия Атомки, и многие предположили, что самым простым объяснением этих находок может быть новая частица и новое фундаментальное взаимодействие (или пятая сила).
Модель ускорителя
Но существует не только множество возможных объяснений этого результата, но и самое простое, пожалуй, самое отрезвляющее: где-то в пути в расчёты вкралась ошибка. В принципе, это может быть:
ошибка в теоретических расчётах,
ошибка измерения в любой точке пути,
или экспериментальная ошибка, связанная с постановкой эксперимента и способом его проведения.
В данном конкретном случае группа, о которой идёт речь, ранее выдала три результата, в каждом из которых утверждалось об открытии пятой силы и намёках на новую частицу, но ни один из них не оправдался. Предыдущие результаты были получены из-за неправильной калибровки оборудования: в некоторых из них виноват неэффективный спектрометр.
Существует сильное подозрение, основанное на опубликованном методе калибровки, использованном для этого набора экспериментов, что неправильная калибровка эксперимента на промежуточных углах, примерно от 100 до 125 градусов, является причиной предполагаемого превышения на больших углах. Хотя многие всё ещё гоняются за этой аномалией в поисках пятой силы, превосходный эксперимент, известный как PADME, должен решить этот вопрос раз и навсегда.
Электромагнит Muon g — 2 в Фермилабе, готовый принять пучок мюонных частиц. Этот эксперимент начался в 2017 году и продолжает получать данные, значительно уменьшив неопределённость в экспериментальных значениях. Теоретически мы можем вычислить ожидаемое значение по теории возмущений, через суммирование диаграмм Фейнмана, и получить значение, которое расходится с экспериментальными результатами. Непертурбативные расчёты с помощью
Одна из чрезвычайно интересных аномалий, появившихся в физике в последние годы, известна как эксперимент Мюон g — 2 («джи минус два»), который, под громкие (заслуженные) фанфары, только что опубликовал свои последние результаты: они подтверждают предыдущие экспериментальные результаты, которые, кажется, не согласуются с теоретическими предсказаниями. В физике величина g, которую мы измеряем, — это гиромагнитное отношение: сила магнитного поля вращающейся частицы по отношению к её электрическому заряду.
Наивное предсказание для g, исходя из старой доброй квантовой механики, заключается в том, что g будет равно 2 как для электрона, так и для его более массивного родственника — мюона.
Более сложное предсказание предполагает использование квантовой электродинамики — квантовой теории поля, которая описывает электромагнитное взаимодействие. Вместо предсказания, что g будет равно 2, предсказание приближается к g, равному 2 + α/π, где α — постоянная тонкой структуры (около ~1/137,036), а π — знакомое нам значение, 3,14159…, определяющее отношение окружности круга к его диаметру.
Но полное предсказание включает в себя не только квантовую электродинамику, но и все квантовые силы и взаимодействия в нашей Вселенной, включая те, которые связаны с ядерными частицами, такими как кварки и глюоны. Это предсказание немного отличается от старого доброго предсказания квантовой электродинамики и может быть сделано с точностью до 12 значащих цифр.
Сегодня диаграммы Фейнмана используются при расчёте всех фундаментальных взаимодействий, охватывающих слабые и электромагнитные силы, в том числе в высокоэнергетических и низкотемпературных/конденсированных условиях. Включение
Там, где есть очень точные предсказания и возможность получить очень точные экспериментальные результаты, такой эксперимент просто необходимо провести: это шанс проверить природу с величайшей точностью таким образом, каким её ещё никогда не исследовали. Если возникает аномалия — то есть несоответствие между теоретическими предсказаниями и экспериментальными результатами, — это может быть намёком на новую физику, и одна из форм новой физики, которая может возникнуть, — это открытие нового фундаментального взаимодействия.
Экспериментально, из последних результатов Фермилаб, мы знаем, что измеренное значение g — 2 для мюона составляет 0,00233184110 ± 0,00000000047. Это очень, очень точный ответ, и он явно (хотя и незначительно) отличается от 0,00232281945, которое вы получили бы из простого вклада КЭД первого порядка.
Звучали утверждения, что это отклонение от предсказаний Стандартной модели имеет вожделенную значимость в 5 сигм, что означает, что вероятность того, что это статистическая случайность, составляет всего 1 к 3,5 миллионам: достаточно, чтобы утверждать об открытии. Когда учёные Фермилаб представили результаты эксперимента, мы увидели, что они на самом деле проводили его слепым методом. Но в данном случае теоретические погрешности оказались гораздо большими, чем предполагалось ранее, что ставит под сомнение значимость этого «открытия».
24 июля 2023 года члены коллаборации g — 2 в Фермилаб собрались, чтобы раскрыть последние результаты по измерению гиромагнитного отношения мюона. Здесь Джеймс Мотт в прямом эфире зачитывает цифры из разблокированных данных.
Проблема заключается в следующем:
Очень просто рассчитать вклад электромагнитных эффектов в предсказанное гиромагнитное отношение мюона; неопределённость здесь составляет всего около 1 части на миллиард.
Аналогично, эффекты слабого ядерного взаимодействия также можно хорошо оценить, и неопределённости здесь также малы: около 10 частей на миллиард.
(Экспериментальные неопределённости, для сравнения, составляют около 190 частей на миллиард, если объединить все данные, опубликованные по следам эксперимента g — 2, включая те случаи, когда эксперимент проводился в Брукхейвене, до переезда в Фермилаб).
Но когда речь заходит о влиянии сильных ядерных взаимодействий — вкладе кварков, глюонов и всех составных взаимодействий (например, мезонов и барионов) — результат не так просто вычислить. Фактически, способ расчёта эффектов слабого и электромагнитного взаимодействий, который заключается в вычислении вкладов от всё более и более сложных диаграмм взаимодействия, не работает для сильных взаимодействий. Всё, что мы можем сделать, — это либо подключить вклады из других экспериментов, чтобы оценить их эффекты (так называемый метод R-ratio), либо попытаться выполнить непертурбативные расчёты по квантовой хромодинамике на суперкомпьютере: метод КХД на решётке.
Метод R-отношения (красный) для расчёта магнитного момента мюона заставил многих отметить несоответствие с экспериментом (диапазон
Хотя и сторонники R-отношения, и сторонники КХД на решётке утверждают, что погрешности в их работе очень малы, различные предсказанные результаты охватывают широкий диапазон значений. Этот диапазон составляет около 370 частей на миллиард между различными оценками, причём некоторые из них совпадают с экспериментальными данными Фермилаба, а другие, в частности, полученные с помощью старых методов R-отношения, расходятся с данными Фермилаба более чем на 5 сигм.
Это не означает, что существуют доказательства существования пятой силы.
Но это означает, что проведение данного эксперимента жизненно важно, и что проверка теоретических предсказаний с помощью нескольких независимых методов — один из единственных способов убедиться в правильности ответа. В этом случае эксперимент должен вести за собой, а теоретикам теперь придётся играть в догонялки. Возможно, окажется, что где-то в этих данных есть доказательства существования пятой фундаментальной силы, но для того, чтобы мы смогли это сделать и узнать наверняка, потребуется значительный прогресс в теоретической точности. Однако это лишь подчёркивает, какое важное достижение дали нам экспериментальные результаты коллаборации Muon g — 2.
В детекторе LHCb имеется известное и поддающееся количественному измерению различие в эффективности обнаружения электрон-позитронных пар и мюон-антимюонных пар. Учёт этой разницы является важным шагом в измерении вероятностей и скоростей распадов B-мезонов на каоны плюс одна лептон-антилептонная комбинация над другой. Теперь они показали, что лептонная универсальность оказывается верной, поскольку правильно откалиброванные соотношения электрон-позитронных пар и мюон-антимюонных пар оказываются неотличимыми от 1,0 при соответствующей перекалибровке.
Возможно, пятая фундаментальная сила всё же существует, и она может скрываться в любом месте, где данные в той или иной степени удивили нас. Однако мы должны быть очень осторожны, чтобы не делать (почти наверняка) неверных выводов на основе предварительных данных.
Многие думали, что коллаборация XENON обнаружила что-то аномальное в своём эксперименте XENON1T, но последовавшая улучшенная итерация этого эксперимента показала, что экспериментальная аномалия исчезла.
Многие думали, что аномалия Atomki приведёт к открытию новой частицы и пятой фундаментальной силы, но неспособность воспроизвести её результаты и отсутствие такой предсказанной частицы в других экспериментах окончательно омрачили эти перспективы.
Многие всё ещё надеются, что тёмная энергия окажется чем-то иным, чем космологической константой, а значит, может стать пятой фундаментальной силой природы, но все наблюдения не показывают никаких отклонений от старой скучной космологической константы, предсказанной Эйнштейном более 100 лет назад.
Но вы должны помнить, что любое подобное утверждение должно выдерживать тщательную проверку. Многие надеялись, что доказательства коллаборации DAMA/LIBRA в пользу тёмной материи оправдаются, но оказалось, что некачественная методология привела к сомнительным результатам. Многие надеялись, что лептонная универсальность будет нарушена, но коллаборация LHCb, возможно, к своему собственному удивлению, подтвердила Стандартную модель.
Если говорить о пятом фундаментальном взаимодействии, то его существование всё ещё возможно подтвердить, и если оно где-нибудь проявит себя, то, скорее всего в какой-либо аномалии, измеренной с высокой точностью. Но очень важно, чтобы мы правильно обходились с наукой и полученными данными, а не объявлять об открытиях раньше, чем в них будет полная уверенность.
