Существует ли пятая фундаментальная сила природы?
Темный фотон — одна из вероятных частиц, отвечающих за передачу нового, неизвестного нам типа взаимодействия. Некоторые эксперименты на Земле говорят о его существовании
Последние несколько лет распространяется идея о том, что наша фундаментальная модель Вселенной неверна. Слишком много всего не сходится. Например, постоянная Хаббла H0, показывающая скорость удаления объектов от нас. По одним измерениям (ярким далеким звездам) она равна 81100 км в час на каждый миллион лет. По другим (реликтовому излучению) — 74300 км в час. Математика верна, расстояния гигантские, но разница тут около 9%. Слишком много для простой неточности вычислений.
Ещё больше выходит разница при подсчетах значения σ8 (сигма-8), коэффициента скорости скопления космической материи. В зависимости от того, с какой стороны физики считать, разница выходит больше 15%, хотя мы используем экспериментальные данные с одного и того же устройства (в данном случае — с космической обсерватории Планка).
Стандартная космологическая модель не сочетается и с тем, что находит в далеких галактиках телескоп Джеймса Уэбба. Вплоть до того, что некоторые ученые предлагают повысить возраст нашей Вселенной в два раза, до 26,7 млрд лет, чтобы как-то привести в порядок математику.
В общем, наши самые успешные попытки измерить фундаментальные свойства Вселенной регулярно приводят к противоречащим друг другу результатам (привет, «Задача трёх тел»!). Чтобы как-то это объяснить, но не выбрасывать всю Стандартную модель, проще всего признать, что наша модель в принципе верна, просто в неё что-то не входит. Например, мы не знаем об одной из фундаментальных сил природы и поэтому не способны до конца собрать головоломку.
Один из экспериментов, завершившихся этим летом, с очень большой вероятностью подтверждает такую гипотезу.
Пятый элемент
В современной физике остается очень много дыр, о которых обыватели не подозревают, а сами физики стараются не думать, развивая свою нишу. Начать хотя бы с того, что мы не можем объяснить, почему в нашей Вселенной больше материи, чем антиматерии. И какой физический закон может за это отвечать. Мы также ничего не понимаем о природе космического расширения. И не можем связать известные нам фундаментальные силы друг с другом.
Одно мы знаем точно: мы чего-то не знаем. Во Вселенной есть еще что-то, пока что ускользающее от нас. Возможно ли, что существует еще одна фундаментальная сила? Это очень элегантный способ объединить все наши текущие «слепые зоны» под одним колпаком. Темная материя, темная энергия, связь между квантовой механикой и теорией относительности. Возможно, всё это объясняется просто ещё одной силой природы. Как работу атома невозможно объяснить, понимая только электромагнетизм и гравитацию, так и для понимания глубин физики, возможно, недостаточно добавить к ним просто сильное и слабое взаимодействие.
Хотите — верьте, хотите — нет, но у нас есть два совершенно разных подхода, дающих шанс найти пятый способ взаимодействия материи в нашей Вселенной.
Подход №1: Грубая сила
Если вы хотите открыть что-то до сих пор неизвестное и фундаментальное, один из подходов — просто исследовать это более мощным способом, чем когда-либо раньше.
Например, из вариантов, которые точно работают (судя по нашей истории):
построить телескоп, чтобы видеть ещё дальше во времени и с более высоким разрешением;
построить ускоритель частиц, способный сталкивать частицы с более высокими энергиями, чем когда-либо прежде;
разработать аппарат для охлаждения материи ещё ближе к абсолютному нулю.
Все это примеры применения подхода «грубой силы». За счет него раз в 20–30 лет у нас происходит достаточно большое открытие (вроде бозона Хиггса). Если исследовать Вселенную в более экстремальных условиях, чем она была когда-либо исследована раньше, это может открыть что-то новое, шокирующее и удивительное.
Это универсальный вариант, который стабильно работает уже больше четырех сотен лет. Благодаря усовершенствованию мощности технологий, начиная от телескопов, мы можем постоянно раздвигать крайние пределы человеческих знаний.
Подход №2: Высокая точность
С другой стороны, можно пойти путем сравнения. Взять текущие теории, вычислить точные предсказания, которые они дают, и экспериментально провести измерения с высокой точностью, чтобы узнать, нет ли какой-либо ошибки в вашей теории. Новые открытия таким методом совершить сложно, зато можно глубже понять существующие идеи, проверить их, найти степень отклонения от предсказаний.
Повышение точности экспериментов необязательно связано с мощностью оборудования. Оно может происходить несколькими разными способами, в том числе:
изучением всё большего числа частиц, столкновений или событий (поэтому эксперименты на коллайдерах обычно длятся минимум несколько лет);
более внимательным контролем условий нашего эксперимента;
повышением чистоты изучаемых образцов.
По сути, каждый раз, когда мы пытаемся улучшить соотношение сигнал/шум — будь то с помощью статистики, усовершенствования условий эксперимента или устранения известных источников ошибок — мы повышаем точность, с которой можем исследовать Вселенную. И ради этого не надо ждать по 20–30 лет.
Именно такие высокоточные подходы являются наиболее многообещающими для обнаружения новой фундаментальной силы. Если мы видим отклонение — даже в 10-м или 12-м знаке после запятой — которое не согласуется с нашими теоретическими выкладками, это может быть намеком на то, что тут есть влияние другой силы или взаимодействия. За последние 100 лет мы не обнаружили ни одной такой силы, кроме известных нам четырех (гравитации, электромагнетизма, слабой ядерной и сильной ядерной). Но есть много областей высокоточных исследований, где это остается возможным. Например, можно представить, что такая сила слабее даже слабого взаимодействия, так что возникающие погрешности совсем невелики. Или что она проявляет себя в далеком космосе, где диапазон возможных погрешностей пока что очень большой.
Точность, с которой масса W-бозона была измерена коллаборацией CDF с использованием данных TeVatron, указывает на беспрецедентное несоответствие между предсказаниями Стандартной модели (фиолетовая линия) и тем, что мы наблюдаем в реальности (красный овал). С точки зрения экспериментальной физики элементарных частиц это, возможно, лучшее доказательство существования чего-то, выходящего за рамки Стандартной модели.
Главное в этом процессе — искать то, что ученые называют «аномалиями». То есть те места, где теория и эксперимент расходятся. И пытаться понять, в чем причина их возникновения. К счастью (или к сожалению?) таких аномалий мы знаем уже десятки, и почти каждая из них становится поводом для спекуляций.
Фальшивые силы
Эксперимент Xenon1T
Для начала — кандидаты, которых достаточно легко опровергнуть:
Коллаборация XENON по изучению темной материи в итальянской подземной лаборатории обнаружила что-то аномальное в своем эксперименте Xenon1T. Тогда это дало повод говорить о кандидатах на частицы, образующие темную материю. Но последующая более точная итерация этого эксперимента показала, что аномалии на самом деле нет.
Многие надеялись, что доказательства существования частиц темной материи, полученные в результате сотрудничества DAMA/LIBRA, подтвердятся. Но оказалась, что это тоже была некачественная методология.
Были надежды, что универсальность лептонов будет нарушена (то есть, докажут, что они по-разному участвуют в слабом взаимодействии). Это позволило бы, в теории, образоваться пространству для новой частицы с особыми свойствами. В 2017-м в Большом адронном коллайдере нашли следы «нестандартных» лептокварков, буквальном смысле выходящих за пределы Стандартной модели. Но впоследствии ученые на другом коллайдере, LHCb, к своему собственному удивлению, в процессе своей проверки еще раз подтвердили Стандартную модель. Лептонная универсальность на данный момент больше никем не оспаривается.
Многие все еще рассчитывают на то, что темная энергия — это не просто какая-то космологическая константа, существующая в нашей Вселенной, а пятая фундаментальная сила природы, обеспечивающая какое-то взаимодействие. Как минимум, так было бы намного интересней, и дало бы физике новый толчок. Но пока наши наблюдения в этой сфере не показывают значимых отклонений от той старой скучной космологической константы, что была предсказана Эйнштейном в уравнениях гравитационного поля более 100 лет назад.
Впрочем, есть и другие эксперименты, которые стали куда более сенсационными.
Темный фотон
В 2015 году эксперимент по ядерной физике дал результаты, которые, казалось, противоречили очень конкретным предсказаниям о том, что должно было произойти. Бериллий-8 обычно распадается на два ядра гелия-4. А в возбужденном состоянии — на те же два ядра гелия-4 плюс фотон. При достижении больших энергий также появляется шанс, что вместо фотона мы получим пару электрон-позитрон. Плюс, понятно, те же самые два ядра гелия-4. Это абсолютно предсказуемый результат.
Аттила Краснахоркаи
Эксперимент заключался в измерении угла, под которыми пары электрон-позитрон образовывались относительно друг друга. Но при его проведении венгерский физик Аттила Краснахоркаи неожиданно для себя обнаружил значимое превышение количества событий, когда электрон и позитрон улетали друг от друга под относительно большими углами: около 140 градусов и больше. Обычная физика не могла объяснить такого поведения частиц: Стандартная модель предсказывает, что при увеличении угла вероятность образования таких пар должна, наоборот, уменьшаться. Группа физиков тогда предположила существование гипотетической частицы X17 («темного фотона», одной из составляющих частей темной материи).
Это получило название «аномалия Атомки» (по названию венгерского института ядерной физики, где проводились исследования). А в 2016 году физики из США предположили, что Х17 — это не следствие существования темных фотонов, а частица-переносчик той самой пятой фундаментальной силы. Это могло бы лучше объяснить расхождения со Стандартной моделью и позволило бы понять, почему такая частица не была обнаружена ранее. Возможную частицу назвали Х-бозоном. Ученые считают, что она должна быть «протофобной», то есть избегать протонов. И в то же время активно взаимодействовать с нейтронами. Воздействие с её помощью «пятой силы» должно проявляться на расстоянии 12 фемтометров (12 размеров протона).
Последующие эксперименты, в том числе в ЦЕРНе, не подтвердили, но и не опровергли выводы венгерских ученых. Попытки проверить гипотезу в коллайдерах продолжаются. В то же время сам Атилла Краснахоркаи с коллегами в 2019-м успели еще раз обнаружить то же явление в другом эксперименте, уже с гелием-4.
В то же время многие другие ученые, включая российского физика Игоря Иванова, считают, что здесь просто имеет место какой-то ранее не описанный эффект ядерной физики, в которой мы пока что понимаем далеко не все. И приписывать странный эффект наличию пятой силы пока еще рано. Да и частицы там может не оказаться: все другие ученые, отправившиеся искать Х17 в указанном диапазоне, пока её не нашли.
Эксперимент NA64 на CERN, проверявший гипотетический темный фотон в 2016 году. Однозначного подтверждения или опровержения найти не удалось
Самое простое объяснение: у венгерских ученых где-то затесалась ошибка. Необязательно в расчетах, но, может, в самой постановке эксперимента или методах его проведения. Вы будете смеяться, но в 2022-м Краснахоркаи с командой опубликовали ещё одну статью, в которой описали уже третий свой эксперимент, подтвердивший существование их «темного фотона». Пока что за исключением венгерской команды эту уникальную частицу не подтвердил никто.
Как тут не вспомнить крейз этого лета, LK-99, материал со сверхпроводимостью при комнатной температуре, который обнаружили корейские ученые, а потом ещё и подтвердили его свойства рядом экспериментов. Все уже приготовились доставать кошельки и встречать новый рассвет технологий с летающими машинами и сверхдешевой электроэнергией. Пока за дело не взялись другие ученые, и не выяснилось, что никто не может повторить этого эксперимента. А в «уникальный» материал корейцев, скорее всего, просто затесался обычный проводник.
Небольшая часть установки LHCb
Здесь возможна та же ситуация. Только эксперименты для проверки занимают годы. Один из них (на коллайдере LHCb) должен был закончиться в 2023-м, но был отложен на 2025-й. До этого времени четкого подтверждения или опровержения пятой «протофобной» силы можно не ожидать.
Также над поисками «темного фотона» уже восемь лет работает эксперимент ПАДМЕ из Италии. У них своя технология, и вроде бы есть какие-то результаты. Судя по их публикациям, они очень старались, но в нужном диапазоне частицу Х17 в прошлом году тоже найти не смогли. И предполагают возможную неправильную калибровку эксперимента на промежуточных углах.
Впрочем, даже если бы аномалия Атомки существовала, уже были предложены объяснения, согласно которым она может всё-таки входить в Стандартную модель. Пересматривать фундаменты физики здесь, скорее всего, не придется.
Секрет мюонов
Многие говорят, что пятую силу уже обнаружили. Нам просто осталось в этом убедиться.
По крайней мере, так заявили ученые из эксперимента Muon g-2, проводившегося в Иллинойсе, в большом ускорителе имени Энрико Ферми. Они измеряли там аномальный магнитный момент мюона и создали очень однородное магнитное поле.Ученые потратили на это несколько сотен миллионов долларов и больше шести лет. И обнаружили, что их результаты в этом специфическом сценарии, как ни крути, не сходятся с предсказаниями Стандартной модели.
Первые результаты Фермилаба, полученные после обработки данных первого года работы ускорителя, были опубликованы 7 апреля 2021 года. Судя по ним, мюоны работают не так, как должны были бы, если бы Стандартная модель была полностью верна. Многие ученые сейчас считают, что эти результаты, если они подтвердятся, могут потребовать пересмотра существующей теории элементарных частиц.
Мюонный электромагнит g-2 в Фермилабе готовится принять пучок мюонных частиц. Этот эксперимент начался в 2017 году и продолжает собирать данные по сей день. Мы можем вычислить теоретическое значение пертурбативно, суммируя диаграммы Фейнмана, и получим значение, не согласующееся с экспериментальными результатами. Почему — пока загадка. Ещё более странно, что непертурбативные расчеты с помощью решеточной КХД, похоже, согласуются с итогами экспериментов. Что еще сильнее усугубляет загадку аномального магнитного момента мюона.
В физике есть измеряемая величина g. Это гиромагнитное отношение: сила магнитного поля вращающейся частицы относительно ее электрического заряда. Наивное предсказание g, выходящее из обычной квантовой механики, состоит в том, что g будет равно 2 как для электрона, так и для его более массивного брата, мюона.
Более сложное предсказание предполагает использование квантовой электродинамики. Согласно ей выходит, что значение g = 2 + α/π, где α — постоянная тонкой структуры (около ~ 1/137,036), а π — знакомое нам 3,14159… Собственно, этот «остаток», выделенный жирным, нас и интересует. В цифре 2 никто не сомневается. Поэтому эксперимент и был назван «g — 2». В идеале, если наши теории верны, g — 2 получится точно 0,00232281945.
Показания эксперимента, проведенного в Фермилабе, с этим расходятся. В лаборатории была достигнута очень высокая точность. И g-2 было определено как 0,00233184110 ± 0,00000000047. Схождение с теоретически полученной цифрой — только первые 4 знака после запятой. Разница в целом слишком большая. Если только на мюоны не влияет какая-то другая сила, которую мы не учитывали в теоретических расчетах.
Мюоны (вместе с электронами и нейтрино) входят в семейство лептонов. Сами они вряд ли являются переносчиками взаимодействия, их достаточно хорошо изучили (они рекордсмены по времени жизни, дольше распадается только нейтрино). Но мюоны могут указать на одну из новых элементарных частиц, отвечающих за свою фундаментальную силу. Также в начале XX века противоречия между результатами экспериментов и классической волновой теорией света вынудили Альберта Энштейна сформировать теорию существования фотона, «светового кванта», который мы теперь считаем переносчиком электромагнетизма.
Опять же, сами мюоны чересчур тяжелые — их масса в 206 раз больше массы электрона, всего в 9 раз меньше массы протона. Носителями какой-то новой силы они быть не могут. Но аномалия в их реакции может указать на наличие какой-то другой частицы или другого воздействия, о котором мы раньше не подозревали.
Может, на первый взгляд это так не выглядит, но эксперимент Muon g-2 (произносится как «мюон ги минус 2») — пока что наше самое сильное доказательство возможности существования пятой фундаментальной силы природы. Вопрос только в том, подтвердятся ли эти экспериментальные результаты. Или, возможно, с измерениями здесь тоже было что-то не то.
До июля 2023 года достоверность эксперимента оценивалась в 4,1 сигму. То есть имелся один шанс из 40 тыс. на то, что это всё-таки какая-то ошибка, или хотя бы статистическая погрешность. Но теперь утверждается, что точность вычислений достигла искомой значимости в 5 сигм. То есть, вероятность того, что такие показания неверны, составляет всего 1 из 3,5 миллионов.
Обычно это достаточно серьезная точность, чтобы делать заявления об открытии. Но после того как ученые Фермилаб в 2017-м опубликовали свои предварительные данные, вокруг них поднялся большой шум, и вышли новые теоретические публикации. В соответствии с ними, как оказалось, рамки погрешности можно расширить. И тогда, возможно, цифры Фермилаб в них всё-таки входят. Что ставит под сомнение значимость этого «открытия».
Поэтому, в соответствии с подходом №2, точность измерений пытались повысить за счет их количества. Сбор экспериментальных данных окончательно завершился в июле 2023 года. Их собирали шесть лет. Анализ, как ожидают, продлитсяеще до 2025-го. После этого ученые представят окончательные результаты, либо подтверждающие, либо опровергающие Стандартную модель.
Чуть подробнее об этом эксперименте на русском (правда, со старыми результатами 2021 года) можно почитать на сайте BBC.
Существование пятой фундаментальной силы всё еще более чем возможно. Вероятнее всего, если мы когда-либо её найдем, она будет прятаться в какой-то высокоточной аномалии. И, конечно, мало влиять на нашу повседневную жизнь (иначе мы бы уже точно смогли её обнаружить). Но даже самая маленькая сила, меняющая наши формулы на долю процента, позволила бы, масштабируясь, объяснить многие странные космические явления.
В конце 1800-х годов (не так давно, меньше 150 лет назад) считалось, что существуют только две силы — электромагнетизм и гравитация. Они описывали все взаимодействия, которые были нам тогда известны. В XX веке эксперименты с ядерной физикой привели к открытию еще двух сил, сильного и слабого ядерных взаимодействий. Сейчас, в XXI веке, проводятся более точные эксперименты, чем когда-либо прежде, и каждая новая аномалия, возможно, таит в себе желанную разгадку.
