21.11.2018
БАК

Новые развлечения физиков: охота на невидимые частицы, которые сбежали из коллайдера

Рейтинг:  4 / 5

Звезда активнаЗвезда активнаЗвезда активнаЗвезда активнаЗвезда не активна
 

Физика элементарных частиц развивается, конечно, не со скоростью света, но и не слишком медленно. Как и для любой другой научной сферы, важным и всегда актуальным является вопрос экспериментальной техники.

Самым масштабным проектом в этой сфере, вероятно, можно считать Большой адронный коллайдер (БАК) – крупнейший в мире ускоритель элементарных частиц, кольцо, окружностью 27 км, в котором 11 245 раз в секунду сталкиваются ускоренные пучки протонов, а результаты столкновений записываются с помощью специальных детекторов.

Через несколько лет, если команде физиков удастся достичь поставленной цели, на границе между Францией и Швейцарией может появиться приземистое здание. Снаружи похожее на склад, оно станет дополнением ВАК и будет содержать научный прибор под названием MATHUSLA (Массивный хронометричний годоскоп для ультрастабильных нейтральных частиц). Его задача – охотиться на долговечные частицы, которые не может самостоятельно обнаружить ВАК. Больше об этом – в адаптированном переводе материала с ресурса Live Science.

Научные пробелы и дыры

Сейчас квантовая вселенная напоминает головоломку, в которой отсутствует большинство составных частей. Те фрагменты пазла, которые ученые уже нашли, – кварки, нейтрино, бозоны, мюони, тау-лептоны, фотоны и глюоны и самые известные – бозоны Хиггса, объединяются вместе, чтобы сформировать картину, называемую «Стандартной моделью». Но эта картина имеет необычную форму и множество пробелов и намеков на то, что человечеству известны далеко не все физические процессы.

Одним из таких пробелов является бозон Хиггса. Стоит объяснить, что бозон Хиггса – это элементарная частица, впервые предложенная британским физиком Питером Хиггсом (Peter Higgs) в 1964 году. Она является важнейшей частью «Стандартной модели» физики. Бозон Хиггса объясняет, почему у других частиц есть масса. ВАК удалось доказать существование бозона Хиггса (что, собственно, считается крупнейшим достижением огромного механизма), но физики столкнулись с проблемой. Как пояснил профессор Торонтского университета (Канада), один из создателей концепции MATHUSLA, Дэвид Кертин (David Curtin), бозон Хиггса оказался не таким массивным, как предсказывала квантовая физика. Поэтому современная модель квантового вселенной требует значительной «коррекции» уравнений, которые применяют бозон Хиггса.

Века опыта указывают ученым, что такие поправки, как правило, касаются элементов, которых исследователи еще просто не понимают. Как пример можно привести космологическую константу Альберта Эйнштейна, которую он включил в теории относительности, чтобы учесть явления, что, как обнаружили ученые позже, были последствиями расширения Вселенной, про что Эйнштейн не подозревал, а потом жалел, что не предусмотрел. Физики, объясняет Кертин, подозревают, что маленькая масса бозона Хиггса означает, что существуют другие, невыявленные частицы, которые тоже влияют на процессы во вселенной. Эта гипотеза и другие странные пробелы, как таинственные массы во вселенной, которые ученые называют темной материей, заставляют прийти к выводу, что физики еще не видели множество физических аспектов.

Главная цель ВАК заключалась в том, чтобы заполнить пробелы в головоломке квантового вселенной. Джесси Шелтон (Jessie Shelton), физик-теоретик из Иллинойского университета в Урбана-Шампейн (США), которая, в частности, редактировала проектную документацию MATHUSLA, говорит, что пока что, за важным исключением собственно обнаружение бозона Хиггса, БАК не оправдывает себя. После обнаружения бозона Хиггса, даже после нескольких обновлений механизма, охоте на новые частицы не дало никаких результатов. Причин может быть несколько: к примеру, люди исчерпали возможность получать новые частицы с помощью имеющихся методов, или, вполне вероятно, ученые не могут обнаружить их через действующие настройки детекторов, или потому, что пучок ВАК слишком слабый.

«Существует что-то новое и неизведанное. Об этом свидетельствует темная материя. К сожалению, мы не имеем никакой гарантии, что это новое может “говорить” с нами при помощи ВАК», – заявила Шелтон.

И пока дорогой ВАК не может выявить другие физические явления, кроме бозонов Хиггса, трудно оправдать создание любых больших детекторов в будущем (при строительстве ВАК говорилось о том, что он будет функционировать более 10 лет, а потом будет еще больший ускоритель). Вместо этого необходимо искать другие идеи и подходы.

Большая новая идея

В апреле Шелтон стояла перед толпой физиков на большом совещании Американского физического общества (APS) в Колумбусе, штат Огайо, и утверждала, что БАК, возможно, уже создал отсутствуют частицы, но, вероятно, не смог их обнаружить, поскольку все датчики ВАК калибруются для выявления конкретного вида событий: экзотическая частица возникает в результате столкновения двух протонов. В чрезвычайно короткое время она распадается на более устойчивые, менее экзотические частицы, которые разлетаются во всех направлениях. Эти частицы проходят через ионизированные пластины и блестящие кристаллы, окружающие пучок коллайдера, и их специфическая траектория дает подсказки физикам относительно того, из какой экзотической частицы они возникли. По словам Шелтон, ВАК уже мог бы получить следы долговечных частиц с некоторыми перекалибровками. Даже обычно долговечная частица иногда быстро распадается. И некоторые долговечные частицы могут оставлять сигнальные знаки в датчиках до распадения. Их обнаружение может быть вопросом перекалибровки детекторов и алгоритмов.

Это – один возможный подход. Но, вероятно, утверждает Шелтон, отсутствуют экзотические частицы не разлагаются так быстро, как надеются разработчики ВАК. Возможно, такие спекулятивные частицы, как глюины и композитные темные глюболы, все же существуют и появляются в ВАК, но не распадаются в пределах узкого тоннеля. Например, если глюин может выжить даже на несколько частиц секунды дольше, чем ожидалось физиками, он может проникать через стенки коллайдера, проходить через сотни метров твердого гранита, который прячет ВАК под землей, и подниматься на французско-швейцарский солнечный свет перед тем, как распадаться где-то в лесу. Таким образом, его следы будут далеко за пределами обнаружения ВАК.

Исследователи считают, что самая большая надежда на выявление долговечных частиц лежит в лесу на французско-швейцарской границе. Там они и предлагают построить MATHUSLA, по сути, сооружение, длиной 20 м, наполненное детекторами частиц. Оно будет расположено на вершине ВАК и изучать частицы, которые «убежали» из ВАК. Функцию MATHUSLA можно сравнить с функцией рыбы-прилипалы, которая питается крохами еды, что выскакивают из открытого рта большого существа. Ученые считают, что, тщательно изучая эти «крошки» (в этом случае — долговечные частицы, которые прошли через стенки ВАК), MATHUSLA поможет решить комплекс проблем, которые не удалось решить ВАК, и выявить недостающие частицы квантового вселенной. Учитывая толстую гранитную пол, отделяющая пучок ВАК от MATHUSLA, большинство радиоактивного хаоса ВАК исчезнет. Необходимо будет выявить только сравнительно редкие скопления долговечных частиц. Имея меньше частиц для обнаружения в более широкой области выявления, MATHUSLA может создавать очень детальные картины экзотических частиц, разлагаются внутри, если они таки существуют.

«Если невидимая частичка получится и распадется, видимые частицы [на которые она распадается] как бы отражаться от потолка, – говорит Кертин. – Слои [детекторы] увидит эти дорожки так же, как трекеры внутри БАК под землей, но этот [массив детектора] значительно больше и может быть значительно медленнее».

В случае MATHUSLA – лишь проект. По словам Кертиса за медленный темп и большее пространство проекта MATHUSLA нужны значительно проще, чем в случае ВАК, электроника и инженерия. За предсказаниями ученого и его коллег, затраты на построение MATHUSLA составят около $50 млн, что просто копейки по сравнению с многомиллиардными затратами на строительство ВАК. Разработчики MATHUSLA надеются, что Европейская организация ядерных исследований (CERN), которая эксплуатирует ВАК, выделит средства на MATHUSLA. Впрочем, они также надеются на гранты от неевропейских стран или, возможно, от отдельных богачей.

  1. Последние
  2. Популярные
Загрузка...

Новости технологий сегодня

Самые популярные метки