Nedavna serija natančnih meritev že znanih, standardnih delcev in procesov grozi, da bo pretresla fiziko.

Kot fizik, ki dela na velikem hadronskem trkalniku (LHC) CERNEno od vprašanj, ki mi jih pogosto zastavljajo, je “Kdaj boš kaj našel?” Uprite se skušnjavi, da bi sarkastično odgovorili “poleg Higgsovega bozona, ki je dobil Nobelovo nagrado, in cele vrste novih sestavljenih delcev?” Zavedam se, da je razlog, da se to vprašanje vedno znova postavlja, v tem, kako smo napredek fizike delcev odražali širšemu svetu.

Pogosto govorimo o napredku v smislu odkrivanja novih delcev in to je velikokrat res. Preučevanje novega, zelo težkega delca nam omogoča, da vidimo osnovne fizične procese – pogosto brez motečega hrupa v ozadju. Tako je širši javnosti in politikom lažje razložiti vrednost odkritja.

V zadnjem času pa vrsta natančnih meritev že znanih, standardnih delcev in procesov grozi, da bo pretresla fiziko. In z LHC pripravljenim za delovanje visoka energija in intenzivnost Bolj kot kdaj koli prej je prišel čas, da začnemo razpravljati o posledicah v širšem smislu.

Magnet za shranjevanje obroča za eksperiment Muon G-2 v Fermilabu. Zasluge: Rieder Hahn, Fermilaby

Pravzaprav je fizika delcev vedno napredovala na dva načina, med katerimi so novi delci. Drugi je z zelo natančnimi meritvami, ki preizkušajo napovedi teorij in iščejo odstopanja od pričakovanega.

Na primer, najzgodnejši dokazi za Einsteinovo splošno teorijo relativnosti so izhajali iz odkritja majhnih odstopanj od gibanja Merkurja v navideznih položajih zvezd in v njegovi orbiti.

tri glavne ugotovitve

Delci so podrejeni nasprotnemu, a zelo uspešnemu principu, imenovanemu kvantna mehanika. Ta teorija kaže, da lahko delci, ki so preveliki, da bi nastali neposredno v laboratorijskem trku, še vedno vplivajo na druge mase delcev (znane kot “kvantna nihanja”).

Toda nedavni rezultati kažejo na nepojasnjeno novo fiziko standardni model Obstajajo še druge vrste tega. celovito Študija z uporabo LHCb ugotovili, da delec, znan kot lepotni kvark (kvarki sestavljajo protone in nevtrone v atomskem jedru), “razpade” (razpade) v elektron veliko pogosteje kot mion – težji od elektrona, sicer pa enako, bratec. Po standardnem modelu se to ne bi smelo zgoditi – kar kaže, da lahko na proces vplivajo tudi novi delci ali naravne sile.

LHCb eksperiment v CERN-u. kredit: CERN

Presenetljivo pa je, da meritve podobnih procesov, ki vključujejo “top kvark” iz eksperimenta ATLAS na LHC, kažejo ta razpad. po enakih stopnjah Za elektrone in mione.

Medtem je nedavno ustvarjen eksperiment Muon G-2 v Fermilabu v ZDA zelo natančna študija Kako mioni medsebojno delujejo z okoliškimi magnetnimi polji, da “nihajo” v obliki njihovega “vrtenja” (kvantna lastnost). To je ugotovilo majhno, a pomembno odstopanje od nekaterih teoretičnih napovedi – kar spet kaže, da lahko delujejo neznane sile ali delci.

zadnji šokantni rezultati Mera mase osnovnega delca se imenuje w bozon, ki ima šibko jedrsko silo, ki nadzoruje radioaktivni razpad. Poskusi tudi v Fermilabu po dolgih letih zbiranja podatkov in analiz kažejo, da je veliko težji, kot je predvidevala teorija – odstopa od količine, ki se ne bi zgodila po naključju v več kot milijoninki od milijona poskusov. Potem se lahko zgodi, da njeni masi dodajajo še neodkriti delci.

Zanimivo pa je, da se tudi ne strinja z nekaterimi manj natančnimi meritvami iz LHC (predložil to študijo in tale,

Odločitev

Čeprav nismo povsem prepričani, ali je za te učinke potrebna nova razlaga, se zdi, da je vse več dokazov, da je potrebna nova fizika.

Seveda je bilo za razlago teh opažanj predlaganih skoraj toliko novih mehanizmov kot teoretikov. Mnogi bodo “videli različne oblike”supersimetrijaIdeja, da je dvakrat več osnovnih delcev, kot mislimo v standardnem modelu, pri čemer ima vsak delec “super partnerja.” Ti lahko vključujejo dodatne Higgsove bozone (povezane s poljem, ki daje temeljnim delcem njihovo maso).

Drugi bodo šli dlje od tega z manj nedavnimi modnimi idejami, kot je “technicolor,” Kar bi pomenilo, da obstajajo dodatne naravne sile (poleg gravitacije, elektromagnetizma ter šibkih in močnih jedrskih sil), in bi lahko pomenilo, da je Higgsov bozon pravzaprav sestavljen objekt iz drugih delcev. Samo eksperiment bo razkril resnico o zadeva – kar je dobra novica za eksperimentatorje.

Eksperimentalne skupine, ki stojijo za novimi ugotovitvami, so spoštovane in so se dolgo časa ukvarjale s težavami. Kljub temu ni nespoštovanje do njih ugotoviti, da je te meritve izjemno težko narediti. Še več, napovedi standardnega modela običajno zahtevajo izračune, kjer je treba izvesti oceno. To pomeni, da lahko različni teoretiki napovedujejo nekoliko drugačne mase in stopnje razpada, odvisno od stopnje špekulacij in domnev. Zato se lahko zgodi, da se bodo pri natančnejših izračunih nekatere nove ugotovitve ujemale s standardnim modelom.

Prav tako se lahko zgodi, da raziskovalci uporabljajo različne interpretacije in zato najdejo nedosledne rezultate. Primerjava dveh eksperimentalnih rezultatov zahteva natančno preverjanje, ali je v obeh primerih uporabljena enaka raven približevanja.

Oba sta primera virov “sistematične negotovosti” in čeprav se vsi vpleteni trudijo po svojih najboljših močeh ju izmeriti, lahko pride do nepredvidenih zapletov, zaradi katerih ju je preveč ali podcenjeno.

Nič od tega ne naredi sedanjih rezultatov nič manj zanimivih ali pomembnih. Rezultati kažejo, da obstaja veliko poti do globljega razumevanja nove fizike in vse jih je treba raziskati.

S ponovnim zagonom LHC še vedno obstajajo možnosti, da se novi delci oblikujejo ali skrijejo pod ozadje skozi redke procese, ki jih je treba še raziskati.

Napisal Roger Jones, profesor fizike, vodja oddelka na Univerzi Lancaster.

Ta članek prvič. je bil objavljen v Pogovor,