Наступает новая эра в теоретической ядерной физике
Физикам впервые удалось вывести нуклон-нуклонное взаимодействие «из первых принципов» — то есть (в данном случае) исходя из теории квантовой хромодинамики. Свыше полувека свойства ядерных сил были известны только экспериментально. Теперь же на смену эмпирическим законам ядерной физики приходят точные — правда, пока только численные — расчеты.Когда выяснилось, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов (называемых вместе нуклонами), сразу же возник вопрос: какие силы удерживают нуклоны вместе? Для объяснения этого явления Хидеки Юкава в 1935 году предложил модель ядерных сил (она вскоре была подтверждена экспериментально), в которой притяжение нуклонов обеспечивается постоянным обменом новыми (на то время) частицами — пи-мезонами. Тот факт, что нуклоны в ядре не сливаются друг с другом, а держатся на расстоянии, означает, что при их чрезмерном сближении притяжение сменяется на сильное отталкивание. На своем жаргоне физики говорят, что в нуклоне есть некая «твердая сердцевина».
За более чем полвека, прошедшие с тех пор, теория сильного взаимодействия кардинально изменилась. Выяснилось, что нуклоны — вовсе не фундаментальные частицы, а состоят из более «мелких кирпичиков», кварков. Кварки внутри нуклонов (а также всех других сильно взаимодействующих частиц — адронов) связаны глюонами, переносчиками сильного взаимодействия. Силы, удерживающие нуклоны в ядрах, — это «вторичные» явления, суммарный результат коллективных процессов кварков и глюонов (см. рис. 2). В современной теории сильного взаимодействия — квантовой хромодинамике (КХД) — всё сводится к взаимодействию кварков и глюонов, которые считаются неделимыми частицами, и эта теория пока что очень хорошо описывает всю совокупность экспериментальных данных по столкновениям адронов при высоких энергиях.
В этой картине имеется, однако, одна трудность — в рамках КХД просто не получается вычислить силу притяжения нуклонов и объяснить, откуда в нуклоне берется «твердая сердцевина». В результате возникла странная ситуация: несмотря на многочисленные успехи КХД, ядерная физика по-прежнему базировалась на эмпирических (описательных) моделях полувековой давности с небольшими современными уточнениями. Связующего звена — то есть точного вычисления ядерных сил из КХД
С точки зрения настоящей теории с формулами и уравнениями (о фундаментальных и эмпирических теориях читайте в блоге автора заметки), эта задача чрезвычайно сложная. Исходные уравнения КХД записаны, однако решать их в области низких энергий физики не умеют и вряд ли в ближайшее время научатся.
Поясним на примере. В случае движения планет вокруг Солнца исходное уравнение — это второй закон Ньютона (ускорение есть сила делить на массу), в который в качестве силы надо подставить его же, Ньютона, закон всемирного тяготения. Решением уравнения будет закон движение планеты по орбите.
В случае же КХД исходное уравнение — это закон, связывающий скорость «рождения», «перетекания» и «исчезновения» кварковых и глюонных полей в зависимости от текущего их распределения в пространстве. По сути, это одна формула. Его решением будут, соответственно, эти самые скорости «рождения», «перетекания» и «исчезновения». Особенный класс решений, в котором все такие перетекания замирают, отвечает стабильным частицам: протонам, нейтронам и т. д. Другой класс решений — это около-стабильные решения, в которых «перетекание» есть, но определенного толку. Например, перетекание полей туда и обратно между двумя нуклонами — это и есть ядерные силы.
Здесь на помощь приходят численные методы решения этих уравнений, которые в теории сильного взаимодействия называются «
Важно, что прогресс в этой области связан только с ростом компьютерных мощностей — никаких препятствий внутри теории для всё более точных расчетов нет. Если в конце 1980-х годов физикам удавалось получать на решетках лишь нечто похожее на адроны, то в 90-е годы уже стали появляться всё более точные вычисления масс адронов, а в последние годы предпринимаются попытки вычислить уже и динамические свойства адронов.
Чрезвычайно важной вехой в этом направлении исследований стала недавняя работа японских физиков N. Ishii, S. Aoki, T. Hatsuda, nucl-th/0611096 с говорящим за себя заголовком «
В этой работе решались уравнения КХД для группы из шести близко расположенных кварков. «Включив» глюонное поле, авторы проследили решение до тех пор, пока шесть кварков не организовались в двухнуклонное состояние. Изучив получившееся распределение двух нуклонов относительно друг друга, авторы и вычислили потенциал межнуклонного взаимодействия в зависимости от расстояния. Важно, что использованная в работе решетка была достаточно большая (около 4 фм; 1 фемтометр = 10
Триумфом этой работы стала четкая демонстрация того, что все особенности межнуклонного взаимодействия, известные из опыта, воспроизводятся в этих расчетах (см. рис. 1). В частности, впервые в истории изучения ядерных сил существование «твердой сердцевины» в нуклоне было выведено из КХД.
Главное утверждение этой работы — ядерные силы наконец-то выводятся из КХД — открывает новую главу в теоретической ядерной физике. Сейчас физикам предстоит перепроверить все те свойства ядер, которые уже получены эмпирическим путем, а также попытаться обнаружить явления, еще не известные ядерной физике. Не исключено, что по следам этих численных расчетов теоретики предложат новую, более прозрачную и более физически мотивированную теорию ядерных явлений, переписывая при этом учебники ядерной физики.
Дальнейшие успехи в этой области скажут свое веское слово и в астрофизике. Точная и модельно-независимая теория ядерных сил позволит четко вычислить максимальный размер нейтронных звезд и понять механизм взрыва некоторых сверхновых.
Наконец, как подчеркивает Вильчек, эти вычисления дают физикам редчайшую возможность промоделировать ситуации, невозможные в нашей Вселенной. Например, можно изучить, как будут меняться свойства ядерных сил, а значит, и синтез элементов в Ранней Вселенной, при вариации массы кварков и силы их связи. Из этого, в свою очередь, можно узнать, насколько «случайно» было то, что законы физики позволили из «первичного бульона» Ранней Вселенной развиться таким сложным структурам, как галактики, планеты, жизнь. Это станет очень интересным аргументом в споре сторонников и противников антропного принципа.
См. также:
Эмпирические и фундаментальные теории.
Игорь Иванов
Физика — Новости науки
Движение частицы достигло самого низкого уровня, допускаемого принципом неопределенности Гейзенберга. Физики охладили наночастицу до самой низкой температуры, допускаемой квантовой механикой. Движение частицы достигло так называемого … Подробнее →
Метки Квантовая механика, ФизикаУченые Томского политехнического и Томского государственного университетов вместе с коллегами из Испании смоделировали, а затем и экспериментально подтвердили существование нового типа криволинейных акустических волновых пучков … Подробнее →
Метки Нанотехнологии, Технологии, ФизикаСпециалисты Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) впервые наблюдали в эксперименте процесс прямого рождения псевдовекторной частицы f1(1285) на электрон-позитронном коллайдере … Подробнее →
Метки Квантовая механика, ФизикаАвторы статьи , вышедшей в Science, полагают, что подтверждение существования так называемых «частиц ангела» — фермионов Майораны — на самом деле было ложной тревогой. … Подробнее →
Метки Квантовая механика, ФизикаГруппа ученых из Констанцского университета в Германии разработала новый способ контроля электронов — при помощи сверхкоротких лазерных импульсов. Это позволяет останавливать частицы и запускать их … Подробнее →
Метки Квантовая механика, ФизикаМеждународная группа ученых, куда вошли физики СПбГУ, открыла новый класс материалов, которые являются одновременно антиферромагнетиками и топологическими изоляторами. Синтезированный исследователями монокристалл MnBi2Te4 может найти применение в создании супербыстрых … Подробнее →
Метки Квантовая механика, ФизикаМеждународная группа исследователей при помощи нового высокочувствительного спектрометра нашла новое значение верхнего предела массы неуловимых частиц нейтрино. До недавнего времени считалось, что частицы нейтрино вообще … Подробнее →
Метки Квантовая механика, ФизикаГруппа исследователей из Калифорнийского университета в Беркли нашла новый способ измерения сил гравитации и эффектов, связанных с этими силами. Основой этого метода является измерение мельчайших … Подробнее →
Метки Квантовая механика, ФизикаГруппа ученых, в состав которой вошли исследователи из нескольких французских университетов и других научных учреждений, нашла новый способ, позволяющий уточнить значение верхнего предела массы гравитона. … Подробнее →
Метки Космология, ФизикаЯпонские и американские физики провели первый в мире эксперимент по изучению взаимодействий между антиматерией и аксионами, предположительными частицами «легкой» темной материи. Следы ее существования не … Подробнее →
Метки Квантовая механика, ФизикаУченые под руководством профессора Сколтеха и МФТИ Артема Оганова и Ивана Трояна из Института кристаллографии РАН смогли синтезировать новый сверхпроводящий материал — декагидрид тория (Thh20) … Подробнее →
Метки Технологии, ФизикаРИА Новости . Новая технология позволила с высокой точностью измерить радиус протона методом рассеяния электронов. Эксперимент проведен в лаборатории Томаса Джефферсона Министерства энергетики США. … Подробнее →
Метки Квантовая механика, ФизикаКогда вещи нагреваются, большинство твердых частиц расширяется, поскольку более высокие температуры заставляют атомы колебаться активнее, требуя больше места. Но некоторые твердые кристаллы, такие как фторид … Подробнее →
Метки Физика, ХимияОбнаружение бозона Хиггса учеными Европейской организации ядерных исследований CERN в 2012 году является, без сомнений, одним из самых важных научных открытий нынешнего десятилетия. С момента обнаружения этого бозона … Подробнее →
Метки Квантовая механика, ФизикаУченые-физики нашли способ, позволивший получить доступ к информации, имеющей отношение к одному из фундаментальных физических явлений, к эффекту Холла, и ускользавшей от них в течение … Подробнее →
Метки Квантовая механика, ФизикаГруппа ученых из Венского университета и университета Базеля произвела проверку принципа квантовой суперпозиции в самом крупном масштабе за всю историю существования науки. Огромные сложные молекулы, … Подробнее →
Метки Квантовая механика, ФизикаНейтрино можно отнести к самым странным субатомным частицам. За счет очень маленькой массы и отсутствия электрического заряда нейтрино практически не взаимодействуют с обычной материей, они абсолютно … Подробнее →
Метки Квантовая механика, Технологии, ФизикаУченые-физики уже давно разработали специальные оптические резонаторы, способные преобразовывать лазерный свет в ултракороткие импульсы, движущиеся по окружности этих резонаторов. Более того, эти импульсы, получившие название … Подробнее →
Метки Технологии, ФизикаМеждународная группа ученых, куда вошел старший научный сотрудник СПбГУ Алексей Солуянов, показала, что существуют новые топологические фазы материалов, выходящие за рамки всех прежних классификаций.
Метки Квантовая механикаУченые из Великобритании, Бразилии и Франции впервые установили верхний предел для массы частицы самого легкого вида нейтрино. Она составляет 0,086 электронвольт, что примерно в шесть … Подробнее →
Метки Квантовая механика, ФизикаФизика — Новости науки
Движение частицы достигло самого низкого уровня, допускаемого принципом неопределенности Гейзенберга. Физики охладили наночастицу до самой низкой температуры, допускаемой квантовой механикой. Движение частицы достигло так называемого … Подробнее →
Метки Квантовая механика, ФизикаПодземный детектор элементарных частиц Борексино , действующий в Национальной лаборатории Гран-Сассо (Laboratori Nazionali del Gran Sasso) возле итальянского города Л’Аквила, обнаружил 53 геонейтрино — нейтрино, … Подробнее →
Метки Квантовая механика, ФизикаУченые Томского политехнического и Томского государственного университетов вместе с коллегами из Испании смоделировали, а затем и экспериментально подтвердили существование нового типа криволинейных акустических волновых пучков … Подробнее →
Метки Нанотехнологии, Технологии, ФизикаУченые из Великобритании и Германии впервые сняли на видео то, как возникает связь между двумя атомами рения — тяжелого металла, а также то, как она … Подробнее →
Метки Физика, ХимияСибирским и немецким исследователям удалось построить модель и вычислить поведение экситонов — квазичастиц, с которыми связывают будущее электронных приборов, в частности квантовых компьютеров и смартфонов. … Подробнее →
Метки Квантовая механика, Математика, ФизикаСпециалисты Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) впервые наблюдали в эксперименте процесс прямого рождения псевдовекторной частицы f1(1285) на электрон-позитронном коллайдере … Подробнее →
Метки Квантовая механика, ФизикаАвторы статьи , вышедшей в Science, полагают, что подтверждение существования так называемых «частиц ангела» — фермионов Майораны — на самом деле было ложной тревогой. … Подробнее →
Метки Квантовая механика, ФизикаГруппа ученых из Констанцского университета в Германии разработала новый способ контроля электронов — при помощи сверхкоротких лазерных импульсов. Это позволяет останавливать частицы и запускать их … Подробнее →
Метки Квантовая механика, ФизикаМеждународная группа ученых, куда вошли физики СПбГУ, открыла новый класс материалов, которые являются одновременно антиферромагнетиками и топологическими изоляторами. Синтезированный исследователями монокристалл MnBi2Te4 может найти применение в создании супербыстрых … Подробнее →
Метки Квантовая механика, ФизикаСотрудники физического факультета МГУ совместно с коллегами из Нижнего Новгорода, Америки и Австралии разработали оптический материал с искусственно созданной анизотропией нелинейного отклика на основе отдельных … Подробнее →
Метки Технологии, ФизикаМеждународная группа исследователей при помощи нового высокочувствительного спектрометра нашла новое значение верхнего предела массы неуловимых частиц нейтрино. До недавнего времени считалось, что частицы нейтрино вообще … Подробнее →
Метки Квантовая механика, ФизикаАмериканские ученые впервые проследили за самой холодной и, как следствие, самой медленной химической реакцией. В ней атомы щелочных металлов взаимодействуют друг с другом и образуют … Подробнее →
Метки Физика, ХимияВсе в нашей Вселенной скрепляется или движется за счет четырех видов фундаментальных сил — сил гравитации, электромагнетизма, сильных и слабых ядерных взаимодействий. Но ученые-физики уже … Подробнее →
Метки Квантовая механика, ФизикаГруппа исследователей из Калифорнийского университета в Беркли нашла новый способ измерения сил гравитации и эффектов, связанных с этими силами. Основой этого метода является измерение мельчайших … Подробнее →
Метки Квантовая механика, ФизикаМеждународная группа ученых, включая исследователей из Технологического института Нью-Джерси (NJIT, США), определила, что энергия Солнца передается с поверхности звезды в ее верхнюю атмосферу с помощью … Подробнее →
Метки Астрономия, ФизикаГруппа ученых, в состав которой вошли исследователи из нескольких французских университетов и других научных учреждений, нашла новый способ, позволяющий уточнить значение верхнего предела массы гравитона. … Подробнее →
Метки Космология, ФизикаЯпонские и американские физики провели первый в мире эксперимент по изучению взаимодействий между антиматерией и аксионами, предположительными частицами «легкой» темной материи. Следы ее существования не … Подробнее →
Метки Квантовая механика, ФизикаМеждународная команда исследователей использовала компьютерное моделирование и эксперименты для изучения перехода воды из жидкого состояния в лед в наноразмерных кластерах. Согласно полученным результатам, минимально необходимое … Подробнее →
Метки Физика, ХимияУченые под руководством профессора Сколтеха и МФТИ Артема Оганова и Ивана Трояна из Института кристаллографии РАН смогли синтезировать новый сверхпроводящий материал — декагидрид тория (Thh20) … Подробнее →
Метки Технологии, ФизикаРИА Новости . Новая технология позволила с высокой точностью измерить радиус протона методом рассеяния электронов. Эксперимент проведен в лаборатории Томаса Джефферсона Министерства энергетики США. … Подробнее →
Метки Квантовая механика, ФизикаКогда вещи нагреваются, большинство твердых частиц расширяется, поскольку более высокие температуры заставляют атомы колебаться активнее, требуя больше места. Но некоторые твердые кристаллы, такие как фторид … Подробнее →
Метки Физика, ХимияОбнаружение бозона Хиггса учеными Европейской организации ядерных исследований CERN в 2012 году является, без сомнений, одним из самых важных научных открытий нынешнего десятилетия. С момента обнаружения этого бозона … Подробнее →
Метки Квантовая механика, ФизикаФизика элементарных частиц в 2018 году. Часть 1
2018 год в физике элементарных частиц обошелся без сенсаций. Это вовсе не означает, что исследования забуксовали. В 2018 году были опубликованы десятки тысяч научных статей по самым разным вопросам физики элементарных частиц, и многие из них оказались по-настоящему важными, даже прорывными, в своих направлениях исследований. В этом обзоре мы постараемся перечислить те результаты, которые привлекали широкое внимание физиков в минувшем году. Эта подборка, неизбежно субъективная, разбита на пять разделов: ситуация на LHC, результаты при низких энергиях, будущие коллайдерные проекты, физика нейтрино, и, наконец, сведения об элементарных частицах, полученные из астрофизических наблюдений (в первой части рассказано о первых трех из них). Достижения чистой теоретической физики частиц мы оставим за кадром; их бегло обозреть не получится.
Очередная веха коллайдера
В 2018 году Большой адронный коллайдер завершил очередной четырехлетний сеанс работы Run 2. В техническом плане этот год был вполне успешным (рис. 1). Хотя по ходу работы возникали непредвиденные препятствия, специалисты находили пути в обход и продолжали набирать статистику ударными темпами. Детекторы ATLAS и CMS накопили в 2018 году по 66 fb−1 каждый, превысив исходный план. Полная интегральная светимость, набранная за весь сеанс Run 2, составила по 150 fb−1 в каждом из них. Теперь экспериментальные коллаборации будут в течение нескольких лет обрабатывать эти данные и регулярно сообщать о новых результатах.
Не лишним будет снова напомнить, что в современной физике элементарных частиц (ФЭЧ) превращение сырых данных в четкие научные результаты длинный, сложный и трудоемкий процесс. Между сеансом набора данных и выходом научных статей проходят уже даже не месяцы, а годы. Большинство публикаций LHC в 2018 году по-прежнему базировались на статистике 2015–2016 годов. И хотя в 2017 и 2018 годах было накоплено втрое больше данных, они будут обрабатываться еще как минимум год-два. Причина такой задержки — постоянно возрастающая сложность вкупе с ограниченными ресурсами. Детекторы стареют, в них добавляются новые элементы, все это приходится заново калибровать, а затем обновлять программы моделирования детектора. Эта работа не только требует человеческих и компьютерных ресурсов, но и не позволяет просто так объединять данные разных лет, ведь инструментальные характеристики меняются год от года. Наконец, данные надо сравнивать с результатами численного моделирования в рамках чистой Стандартной модели, которое приходится проводить снова и снова. Без всего этого невозможно ответственно сказать, видим ли мы в данных что-то новое или нет.
В плане научных результатов Большого адронного коллайдера, кардинального измерения в 2018 году не произошло. Была проведена обширнейшая программа по изучению свойств бозона Хиггса — очень важной, но все еще плохо изученной частицы. После пяти лет измерений наконец-то были надежно открыты все основные каналы рождения и распада этой частицы, причем для этого экспериментаторам приходилось проявлять недюжинную смекалку. Измеренная на LHC интенсивность этих процессов в пределах погрешностей совпадала с ожиданиями Стандартной модели. Иными словами, никаких ярких эффектов Новой физики, за которыми охотится коллайдер, по-прежнему не видно.
Зато можно отметить обострившееся в 2018 году расхождение между тем, как экспериментаторы и теоретики воспринимают эти результаты. Для экспериментаторов такие измерения, как регистрация распада бозона Хиггса на b-анти-b пару (рис. 2) или рождение системы топ-антитоп-Хиггс, стали триумфальным завершением многолетних усилий. В своих сообщениях ЦЕРН и коллаборации не скрывают гордости за полученные результаты. Для теоретиков же они, а точнее — их полное согласие с предсказаниями Стандартной модели, символизировали очередной крах надежд на скорое открытие Новой физики (см. новость Процесс рождения ttH окончательно открыт, но уже не вызывает энтузиазма теоретиков).
Ничего экстраординарного не произошло и в других пунктах научной программы коллайдера. Были опубликованы сотни статей с измерениями свойств топ-кварков и других известных частиц, а также отчеты о поисках суперсимметрии, новых частиц, новых взаимодействий, и вообще любых отклонений от предсказаний Стандартной модели. В данных CMS встречались любопытные намеки на такие отклонения при 28 ГэВ и при 95 ГэВ, однако они не вызвали ажиотажа даже среди теоретиков. Можно однозначно сказать, что никаких достоверных проявлений Новой физики пока не выявлено.
Здесь, впрочем, необходимо вновь напомнить, что на сегодняшний день обработана лишь небольшая часть всей статистики сеанса Run 2. Никто не может исключить, что через год-два обнаружится какая-то новая аномалия в данных Run 2 или окрепнет старая. Так, до сих пор не обновлены данные LHCb по загадочным отклонениям в распадах B-мезонов (две проблемы с лептонной универсальностью и настойчивое расхождение теории и эксперимента в редких распадах). Для очень многих теоретиков эти отклонения сейчас — самая большая надежда на Новую физику. К тому же, в 2018 году стартовал обновленный эксперимент Belle II на японском электрон-позитронном коллайдере SuperKEKB, который тоже поможет подтвердить или опровергнуть эти аномалии. Так что в ближайшие год-два к этим двум экспериментам будет приковано пристальное внимание.
Результаты при низких энергиях
Хотя поиск Новой физики остается ключевой задачей ФЭЧ, внутри Стандартной модели по-прежнему остается множество сложных нерешенных вопросов. Прежде всего, это касается устройства адронов. Напомним, что в формулировке Стандартной модели адроны вообще не фигурируют. Там есть кварки и есть сильное взаимодействие. Но в реальных экспериментах мы регистрируем не кварки, а их комбинации — адроны, которые возникают за счет явления конфайнмента. Почему конфайнмент сильного взаимодействия вообще происходит — до сих пор не объяснено со всей математической строгостью; это одна из знаменитых задач тысячелетия. Но он есть, и из-за него многие характеристики адронов вовсе не проистекают из свойств кварков, а образуются динамически.
Изучение свойств адронов, в том числе недавно открытых многокварковых, остается горячей темой исследований. Публикаций на эту тему — многие сотни, но выделить какой-то один по-настоящему яркий результат 2018 года затруднительно. Скажем так: тут идет обычный рабочий процесс накопления и кристаллизации знаний.
Пожалуй, самый симпатичный результат, опубликованный в мае в журнале Nature и освещенный во многих СМИ, — это измерение давления внутри протона (рис. 3). В самом центре протона, по оценкам авторов, кварки испытывают давление порядка 1035 Па — больше, чем даже внутри нейтронных звезд. Научная ценность этого результата не в самом по себе числе, а в том, что сейчас, анализируя данные по глубоко-виртуальному комптоновскому рассеянию, физики научились извлекать из данных и такие тонкие эффекты (см. подробности здесь).
Впрочем, столкновения частиц на рекордно больших энергиях — не единственный способ открывать новые законы мира элементарных частиц. Можно работать и при низких энергиях, но выполнять измерения исключительно точно. Если теоретические предсказания для измеренной величины столь же точны, то даже небольшое расхождение будет иметь огромные последствия для физики частиц.
Знаменитый пример такого измерения — магнитный момент мюона g. Эта величина показывает, насколько хорошо мюон чувствует внешнее магнитное поле. И теоретические расчеты, и экспериментальные измерения выполнены с безумной точностью: они дают величину g = 2,00233184… и начинают различаться только в следующих десятичных знаках. Однако различие это довольно существенное — 3–4σ. Этого хватает, чтобы вызывать неугасающий интерес теоретиков, но недостаточно для громкого заявления об открытии Новой физики. И поскольку последнее экспериментальное измерение датируется аж 2004 годом, это (недо)расхождение, словно заноза, не дает физикам покоя уже почти 20 лет.
В 2017 году, после нескольких лет подготовки, в Фермилабе наконец-то стартовал новый эксперимент по измерению магнитного момента мюона, Muon g-2. Он должен уменьшить экспериментальную погрешность примерно в 4 раза (рис. 4). Если отклонение сохранится — это станет серьезной заявкой на самое громкое открытие в физике частиц за последние годы. Первый сеанс набора данных прошел с марта по май 2018 года, предварительные результаты были обнародованы в середине года (см. доклад коллаборации на летней конференции ICHEP 2018). Точность измерений в таком коротком сеансе работы пока не дотягивает до результатов 2004 года, но в целом все идет по плану. В 2019 году ожидается первая научная публикация на статистике, сравнимой с 2004 годом, и вот тогда мы узнаем, подтверждается аномалия или нет. К концу 2021 года объем данных превзойдет статистику 2004 года уже в 20 раз, и мучившая физиков загадка получит то или иное разрешение.
А вот другая характеристика элементарных частиц — электрический дипольный момент d, — несмотря на похожее название, имеет совсем иной статус. Эта характеристика не может просто так возникать у фундаментальных частиц, например, у электрона. Она появляется только в результате CP-нарушения и потому оказывается исключительно малой (см. подробный рассказ в новости Первые результаты эксперимента ACME: электрический дипольный момент электрона по-прежнему нулевой). В рамках чистой Стандартной модели электрический дипольный момент электрона предсказывается настолько малым, что измерить его просто нереально. Поэтому если какой-то эксперимент получит любое значение, достоверно отличное от нуля, это тоже станет сенсацией.
Впрочем, до сих пор все эксперименты устанавливали лишь ограничение сверху на величину d. В 2011 году оно составило 10,5·10−28 e·см. В 2013 году эксперимент ACME усилил ограничение на порядок, до 8,7·10−29 e·см (та работа была описана в нашей новости). И вот недавно, в октябре 2018 года, та же коллаборация ACME улучшила свой же результат еще почти на один порядок: теперь ограничение сверху составляет 1,1·10−29 e·см. Это ограничение накладывает серьезные ограничения на различные теории за пределами Стандартной модели. Если в природе существуют новые частицы, которые взаимодействуют с электроном и нарушают CP-симметрию, то они должны быть тяжелее нескольких ТэВ, — иначе эффект от виртуальных частиц уже проявился бы в виде электрического дипольного момента электрона.
Если речь заходит про CP-нарушение в распадах мезонов, то здесь фигурирует еще одна важная величина, для которой физики почему-то не хотят придумывать отдельную букву, а обозначают загадочным выражением ε’/ε. Это отношение характеризует ту роль, которую играет прямое CP-нарушение, то есть нарушение CP-симметрии прямо в момент распада мезона, без промежуточного превращения разных мезонов друг в друга. Этот вклад в CP-нарушение невелик, но он существует и был обнаружен в распадах K-мезонов в 80–90-х годах. Измерения экспериментов NA48 и KTeV дали значение ε’/ε = (16,6 ± 2,3)·10−4.
Теоретические предсказания для этой величины долгое время получить не удавалось, поскольку они зависят от внутренней структуры K-мезонов. Только несколько лет назад, благодаря зубодробительным численным методам (Квантовая хромодинамика на решетке, см. Lattice QCD) стали появляться примерные теоретические оценки. Практически все они давали поразительно малые значения: (1–6)·10−4, что в несколько раз меньше экспериментального результата! А поскольку Новая физика вполне может стать новым источником CP-нарушения, возникшая аномалия привлекла в 2018 году внимание десятков, если не сотен теоретиков. Более того, признанные мэтры этой области заговорили о ренессансе физики каонов, которая была модной этак с полвека назад.
Как часто бывает в теоретической физике частиц, не все исследователи согласились с этими оценками. Так, теоретики из Валенсии на основании своих расчетов предсказывают намного большую величину, (15 ± 7)·10−4, что отлично согласуется с экспериментом (нижняя сиреневая точка на рис. 6). Однако они находятся в меньшинстве, и в появившемся в середине декабря обзорном докладе arXiv:1812.06102 эта оценка подвергается критике. В целом ситуация вокруг величины ε’/ε остается подвешенной. Теоретические расчеты, хотя и намекают на существенное расхождение с экспериментом, остаются пока не слишком надежными и не позволяют прийти к определенному выводу. Но работа кипит, и через год-два ситуация должна проясниться, а может быть, и обостриться.
В завершение этого раздела можно упомянуть спектроскопические исследования антиводорода в эксперименте ALPHA в ЦЕРНе (см. две статьи в журнале Nature по переходами 1S-2S и 1S-2P). Антиводород состоит из антипротона и позитрона, античастиц для протона и электрона. Теоретическая физика говорит, что все уровни энергии в атомах и антиатомах одинаковы, но экспериментаторы, разумеется, стремятся проверить эти заявления. Пока что все согласуется с предсказаниями. А что касается новых проверок того, как гравитация влияет на антивещество, то на той же «фабрике антиматерии» в ЦЕРНе в конце года стартовали два эксперимента, ALPHA-g и GBAR, которые в ближайшие годы выполнят эти измерения с рекордной точностью.
Коллайдерное будущее
Трендом года можно назвать работу над проектами будущих грандиозных экспериментов в физике частиц. У Большого адронного коллайдера есть в запасе пара десятилетий: расписание работы LHC, а точнее, его реинкарнации с высокой светимостью HL-LHC, простирается до 2037 года. Однако физики уже давно приступили к обсуждению того, какие коллайдеры придут ему на смену. Существует несколько проектов разной степени амбициозности и на разном этапе готовности технологий. В каждом есть свои плюсы и минусы, и научное сообщество тщательно их взвешивает перед принятием решений. Ситуация усугубляется тем, что, в отсутствие гарантированных открытий далеко не все финансирующие организации считают целесообразным тратить миллиарды долларов на новый коллайдер.
В этой ситуации ЦЕРН и другие крупные исследовательские центры запустили максимально открытую и прозрачную кампанию по определению приоритетов развития ФЭЧ в ближайшие годы (см. подробности в новости Куда двигаться коллайдерной физике в следующем десятилетии?). Обновленная Европейская стратегия по физике частиц задаст вектор развития этого раздела физики на 2020–2026 годы. Но уже сейчас ясно, что результаты, полученные в этот шестилетний период, скажутся на развитии ФЭЧ и 2030-е и даже 2040-е годы.
Дедлайн для внесения предложений по формированию обновленной Стратегии прошел 18 декабря. Сразу несколько групп, работающих над будущими коллайдерами, опубликовали свои планы и проекты. В сентябре и ноябре вышли два тома предварительного проекта китайского циклического электрон-позитронного коллайдера CEPC (arXiv:1809.00285 и arXiv:1811.10545). Технологии для его создания практически готовы, и, если Китай возьмется за его реализацию, CEPC заработает в начале 2030-х годов.
Перспективы FCC, грандиозного протонного коллайдера на 100 ТэВ, который тоже будет базироваться в ЦЕРНе, остаются довольно туманными, хотя работа над этим проектом идет уже несколько лет. 700-страничная сводка научных задач FCC появилась еще год назад (arXiv:1710.06353), однако до полноценного технического проекта тут еще далеко. Его предварительная версия вместе с оценкой стоимости должна быть обнародована в январе 2019 года. В любом случае, реализация FCC потребует существенного развития технологий изготовления сверхпроводящих магнитов с нужными параметрами, и этот этап растянется как минимум до начала 2030-х годов. Если все пойдет без задержек, FCC заработает не раннее 2043 года. Проект LHC на повышенной энергии, HE-LHC, рассматривается сейчас как «облегченный» вариант FCC. Он потребует тех же технологий, но сможет разместиться в нынешнем кольце LHC, а не в новом 98-километровом туннеле. Но даже этот коллайдер сможет вступить в строй самое раннее в 2040 году. Научная программа HE-LHC, впрочем, уже интенсивно разрабатывается, см. два недавних отчета — arXiv:1812.07638 (по распадам мезонов) и arXiv:1812.07831 (по поискам Новой физики).
А вот с Международным линейным коллайдером ILC, который должен быть построен в Японии, ситуация совершенно иная. Технологии давно готовы, и научное сообщество вот уже несколько лет ждет, когда японское правительство решится на его строительство. Но это подразумевает, что Япония возьмет на себя значительную часть расходов по реализации и работе ILC. Правительство Японии настроено позитивно, но оно хочет быть уверенным, что эти расходы оправданы, что они принесут в конечном итоге научную, образовательную, и даже экономическую выгоду стране. Кроме того, оно ожидает от других стран и от крупнейших исследовательских центров гарантии, что они разделят с Японией финансовое бремя. Другие страны и финансирующие организации отвечают, что они будут рады вложиться, но они вначале хотят услышать официальное согласие Японии строить ILC.
Ясно, что такая ситуация не может продолжаться вечно. В 2018 году резко активизировались переговоры как внутри Японии, так и на международной арене. Была надежда, что правительство Японии даст окончательный ответ к 18 декабря, однако решение так и не было принято. Более того, 19 декабря появилось сообщение, что Научный совет Японии, играющий роль консультанта Министерства науки Японии, не поддержал строительство ILC. Официальное сообщение от координаторов проекта ILC в Японии звучит куда более сдержанно. В нем высказывается надежда, что решение японского правительства будет озвучено к началу марта 2019 года, когда в Токио пройдет 83-я встреча ICFA, Международного комитета по будущим ускорителям. Подробности о текущем статусе проекта можно найти в специальном выпуске ILC Newsline за 21 декабря 2018 года.
Пока суть да дело, ЦЕРН продолжает развивать свой проект линейного электрон-позитронного коллайдера CLIC. В его основе лежит иной, более эффективный механизм ускорения электронов и позитронов, что позволит уменьшить размеры ускорителя, а в перспективе позволит повысить энергию столкновений до 3 ТэВ, что лежит совершенно за пределами возможностей ILC. Предварительный технический отчет был опубликован еще в 2012 году, и сейчас CLIC сейчас можно воспринимать как «план B» научного сообщества на тот случай, если Япония откажется от строительства ILC. В декабре 2018 года вышло сразу несколько отчетов, посвященных разным аспектам проекта: физике на CLIC (arXiv:1812.02093), техническим подробностям ускорителя (arXiv:1812.06018) и детектора (arXiv:1812.07337). Краткая сводка этих отчетов, подготовленная для Европейской стратегии по физике частиц, приведена в публикациях arXiv:1812.07986 и arXiv:1812.07987. Если проекту CLIC будет дан зеленый свет, его строительство может начаться в 2026 году, и первый сеанс работы с энергией столкновений 380 ГэВ стартует в районе 2035 года.
В целом, если не случится ничего экстраординарного, можно рассчитывать на новый крупный электрон-позитронный ускоритель в 2030-х годах и на новый адронный коллайдер в 2040-х. Но если речь зашла о таком отдаленном будущем, но нельзя сбрасывать со счетов и прорывные технологии ускорения частиц, которые могут стать основой совершенно новых коллайдеров. Для одной такой технологии — кильватерного ускорения электронов — 2018 год стал прорывным. В церновском эксперименте AWAKE была продемонстрирована принципиальная возможность кильватерного ускорения внутри плазменной ячейки на масштабах в несколько метров, против сущих сантиметров во всех предыдущих установках (см. новость В эксперименте AWAKE испытана новая схема ускорения электронов).
В ближайшие годы коллаборация AWAKE будет экспериментировать с параметрами установки и постарается подобрать такой режим, который можно будет масштабировать на километровые размеры. Если это удастся, то можно будет думать и о строительстве полноценного коллайдера на этом принципе. В недавней публикации arXiv:1812.11164 были обрисованы научные перспективы электрон-протонного коллайдера с энергией несколько ТэВ, для которого протоны будет поставлять LHC, а электроны будут разгоняться кильватерным способом с помощью тех же самых протонов из LHC.
См. также:
Физика элементарных частиц в 2018 году. Часть 2, «Элементы», 09.01.2019.
Игорь Иванов
Приливные силы обнаружены и в ядерной физике
Эксперименты американских физиков показали, что между атомными ядрами действуют приливные электростатические силы, которые могут заметно изменить картину распада нестабильных ядер.
Приливы и отливы — результат того, что сила гравитационного притяжения, например от Луны, не постоянна, а уменьшается при удалении от нее. Из-за этого часть Земли, самая близкая к Луне, притягивается сильнее, а самая далекая — слабее, чем вся Земля в среднем. Поэтому ее как бы растягивает вдоль направления на Луну и сплющивает по бокам — то есть Земля испытывает со стороны Луны «приливную силу».
Силы электростатического взаимодействия заряженных тел тоже зависят от расстояния между телами, поэтому силы, подобные приливным, действуют и в электростатике. Если речь идет о притяжении двух разноименно заряженных тел, то картина будет в точности такая же, как и при гравитационных приливных силах, а при отталкивании одноименных зарядов — с точностью до наоборот: оно сплющивает тела в продольном направлении и растягивает их в поперечном.
Красивый пример того, как электростатические приливные силы вмешиваются в мир ядерной физики, обнаружили недавно американские ученые. Их статья с описанием и объяснением результатов эксперимента появилась на днях в журнале Physical Review Letters.
В этой работе с помощью специального детектора LASSA изучались высокоэнергетические столкновения тяжелых ядер кадмия-114 и молибдена-92 (эксперимент проводился в Национальной сверхпроводящей циклотронной лаборатории при Университете штата Мичиган, MSU-NSCL). Когда столкновение ядер происходит не «лоб в лоб», а «по касательной», то ядра не разлетаются тут же на мелкие осколки, а как бы «разогреваются», и затем с них испаряются «кусочки ядерного вещества», преимущественно в виде альфа-частиц (то есть ядер гелия-4) или других легких ядер. Именно такие легкие частицы и отлавливали экспериментаторы.
Среди прочих вариантов был и одновременный вылет двух альфа-частиц — по крайней мере, так это выглядело в детекторе. На самом деле, как выяснили физики, эти две альфа-частицы далеко не всегда вылетали независимо. Иногда получалось, что вначале с поверхности ядра вылетало нестабильное возбужденное ядро бериллия-8 (8Be*), которое тут же — на удалении всего в несколько диаметров родительского ядра — распадалось на две альфа-частицы. На таком расстоянии еще довольно сильно электрическое поле от родительского ядра, а значит, оно могло повлиять — за счет приливных сил — на процесс распада 8Be*.
И действительно, это влияние было обнаружено на опыте. Вообще, распад 8Be* очень простой. Если бы не было никакого постороннего влияния, то две альфа-частицы просто разлетались бы в противоположных направлениях относительно центра масс с некоторой скоростью, которая совершенно не зависела бы от направления вылета.
Влияние приливных электрических сил со стороны родительского ядра приводит к появлению зависимости относительной скорости разлета от направления. Если альфа-частицы разлетаются по направлению движения исходного 8Be*, то их скорость относительно друг друга оказывается заметно меньше, а если поперек — то заметно больше средней (последствие «сжатия» вдоль и «растяжения» поперек). Измерения показали, что разница между этими случаями составляла примерно 10%.
Обнаруженное явление приливных сил в микромире лишний раз напоминает физикам, что нужно быть аккуратным при изучении рождения и распада нестабильных частиц. Даже если нестабильное дочернее ядро вылетело из родительского и уже не чувствует его ядерных сил, оно всё еще может находиться в его электростатической «зоне влияния». Иными словами, рождение и распад этого нестабильного осколка не протекают независимо.
Интересно отметить, что этот вывод буквально совпадает с выводом, сделанным в другой недавней работе, но уже из области физики элементарных частиц, о которой мы писали в заметке Анализ данных коллайдера LHC может оказаться более сложным, чем ожидалось. Впрочем, причины, приводящие к зависимости рождения и распада в этих двух случаях, совсем разные.
Источник: A. B. McIntosh et al., Tidal Effects and the Proximity Decay of Nuclei // Physical Review Letters, 99, 132701 (27 September 2007). Статья также свободно доступна в архиве препринтов: nucl-ex/0607028.
См. также: Теория приливов из лекционного курса В. Л. Пантелеева Физика Земли и планет.
Игорь Иванов
Теоретики нашли доказательства неполноты квантовой физики — Рамблер/новости
Фото: РИА Новости . Алина Полянина
МОСКВА, 18 сен — РИА Новости. Физики из Швейцарии заявляют, что квантовая физика в принципе не может непротиворечиво объяснять поведение объектов макромира. Это не позволяет использовать ее для полного описания Вселенной и указывает на ошибочность всех интерпретаций квантовой механики, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Communications.«Представьте, что вы зашли в «квантовое казино» и согласились подкинуть монетку в обмен на обещание выплатить вам тысячу евро, если выпадет решка, а в противном случае вы отдадите крупье половину от этой суммы. Наш мысленный эксперимент показывает, что оба наблюдателя получат противоположные результаты, проверить которые будет невозможно», — пишут ученые.
Ученых давно интересует то, почему мы не можем наблюдать феномен квантовой запутанности — взаимосвязанности квантовых состояний двух или более объектов, при котором изменение состояния одного объекта мгновенно отражается на состоянии другого — в мире обыденных предметов.
Сегодня физики объясняют отсутствие подобных «странных связей», как выражался Эйнштейн, между двумя яблоками и прочими видимыми объектами тем, что они разрушаются в результате декогеренции — взаимодействия подобных запутанных объектов с атомами молекулами и прочими проявлениями окружающей среды и необратимого нарушения квантового состояния.
Таким образом, чем крупнее объект, тем больше он будет контактировать с окружающей средой, и тем быстрее будет распадаться квантовая связь. Подобное решение породило массу новых споров — где «начинается» и где «кончается» квантовая механика, влияет ли она на поведение макрообъектов и можно ли нащупать эту границу между «миром кота Шредингера» и «яблоком Ньютона».
Многие ученые сегодня считают, что этой границы не существует и что законы квантового мира хорошо описывают и все процессы в «макро-Вселенной». Существуют и «скептики» — еще в 1967 году известный венгерский физик Юджин Вигнер (Eugene Wigner) придумал мысленный эксперимент, так называемый «парадокс друга», который впервые указал на принципиальную ограниченность квантовой механики.
Ренато Реннер (Renato Renner) и Даниэла Фраухигер (Daniela Frauchiger) из Федерального технологического института Швейцарии в Цюрихе расширили идеи Вигнера и использовали их для проверки того, можно ли использовать квантовую физику для описания процессов в макро-Вселенной.
В их мысленном эксперименте участвует не одна, а сразу несколько пар наблюдателей, одна из которых проводит квантовый эксперимент, а их «друзья» пытаются угадать результаты этих замеров, зная одно из начальных условий опытов. Для этого они создают «копии» первых экспериментаторов и их установок в своих лабораториях и производят свои собственные замеры над ними.
Описав все их взаимодействия при помощи формул, построенных по правилам квантовой механики, ученые проанализировали то, какие результаты получат подобные пары «экспериментаторов».
Оказалось, что подобные наблюдатели будут всегда приходить к противоположным выводам, наблюдая за одним и тем же процессом или объектом макромира, если они будут использовать для описания своих экспериментов принципы квантовой механики. Это, в свою очередь, говорит о том, что квантовую физику в ее текущем виде действительно нельзя применять для описания макроскопических процессов и работы всей Вселенной в целом.
Все эти выкладки, как отмечают исследователи, можно будет проверить в будущем, когда будут созданы первые универсальные квантовые компьютеры. Подобные вычислительные системы, как отмечают Реннер и Фраухигер, возьмут на себя роль подобных экспериментаторов и позволят ученым на практике узнать, действительно ли квантовая физика имеет такие ограничения.
Видео дня. Мать-веганка заморила голодом годовалую дочь
Читайте также
Физика элементарных частиц в 2017 году • Игорь Иванов • Новости науки на «Элементах» • Физика, Поиск Новой физики, Астрофизика
Конец года — самое время подводить итоги и рассуждать о будущих направлениях развития. Мы предлагаем вам окинуть беглым взглядом, что принес 2017 год в физике элементарных частиц, какие результаты были на слуху и какие намечаются тенденции. Эта подборка, безусловно, будет субъективной, но она осветит современное состояние фундаментальной физики микромира с одного широко популярного угла зрения — через поиск Новой физики.
Дела коллайдерные
Главным источником новостей из мира элементарных частиц по-прежнему остается Большой адронный коллайдер. Собственно, он и был создан для того, чтобы расширять наше знание о фундаментальных свойствах микромира и вгрызаться в неизведанное. Сейчас на коллайдере продолжается многолетний сеанс работы Run 2. Одобренное ЦЕРНом расписание работы коллайдера простирается до середины 2030-х годов, и прямых конкурентов у него не будет как минимум еще десятилетие. Его научная программа включает в себя задачи из самых разных областей физики частиц, так что, даже если задерживаются результаты в каком-то одном направлении, это компенсируется новостями из других.
В техническом плане 2017 год отметился ударным темпом набора данных (рис. 2). Правда, проблемы с одной из вакуумных секций вынудили техников подбирать режим столкновений в обход инструментальных ограничений. С честью выйдя из испытаний, они смогли достичь и даже превысить план по набору статистики. Интегральная светимость, набранная за этот год, достигла 50 fb−1 в детекторах ATLAS и CMS, и, вкупе со статистикой 2015 и 2016 годов, полный объем данных на энергии 13 ТэВ приблизился к 100 fb−1.
Но вот что касается научных результатов, то здесь царит, скорее, сдержанный пессимизм. С одной стороны, коллайдер в самом деле резко передвинул энергетический фронт исследований за пределы 1 ТэВ. Если десятилетие назад теоретики мечтали об открытии суперсимметрии и о фейерверке новых частиц и явлений при энергиях 0,3–0,5 ТэВ, то теперь ограничения снизу на массу сильновзаимодействующих частиц-суперпартнеров достигают 2 ТэВ. Были выполнены сотни вариантов поисков новых эффектов, которые предсказывают разнообразные теории за пределами Стандартной модели, но никаких убедительных сигналов обнаружить не удалось. Ограничения сверху на массы гипотетических новых частиц достигают в отдельных случаях нескольких ТэВ. Иными словами, если Новая физика тут и есть, то она явно не лежит на поверхности.
С другой стороны, никто в физике частиц из этого не делает трагедии. Все понимают, что после обнаружения бозона Хиггса эпоха гарантированных открытий в физике частиц закончилась. Если сравнивать нынешние исследования микромира с путешествиями средневековых мореплавателей, то сейчас мы реально вышли в неизведанные воды, в открытый океан — и мы не знаем, когда и где нас ждет следующее большое открытие. Природа не подарила нам моментального яркого открытия — ну что ж, у нас есть и запасные возможности. Нестандартные эффекты можно обнаружить, не только напрямую открывая новые частицы, но и через косвенное их влияние на частицы уже известные. И вот здесь потенциал Большого адронного коллайдера остается огромным.
Во-первых, у нас есть хиггсовский бозон — частица совершенно нового сорта, и с тщательным изучением этого бозона физики связывают большие надежды. Есть множество теоретических конструкций, в которых первые отклонения от Стандартной модели как раз должны проступать в виде нестандартных свойств бозона Хиггса. Пока что измеренные характеристики этой частицы выглядят совершенно стандартными, — по крайней мере по данным Run 1 и первой половины Run 2 (рис. 3). Но ведь мы только начали ее изучать, и погрешности у этих измерений все еще велики. В них вполне могут скрываться небольшие отклонения, которые удастся увидеть только на гораздо большей статистике. Сейчас результаты по бозону Хиггса базируются на данных 2016 года, да и то не во всех случаях. Богатая статистика 2017 года пока находится в стадии обработки, и первые результаты на ее основе будут представлены только на зимних конференциях.
В этой связи логичным кажется выбор, сделанный недавно международным физическим сообществом: построить-таки Международный линейный коллайдер ILC, но только в упрощенной версии, и использовать его как хиггсовскую фабрику. ILC — это проект нового электрон-позитронного коллайдера, который, по исходной задумке, должен будет измерить в мельчайших деталях все то, что откроет LHC. Все технологии для его реализации уже готовы, выбрано место постройки, и вот уже несколько лет все упирается лишь в готовность правительств стран-участников — и прежде всего, Японии, на территории которой будет построен коллайдер, — вложить миллиарды долларов в его реализацию. Если бы LHC обнаружил новые частицы или иные четкие свидетельства Новой физики, никаких препятствий не было бы — коллайдер ILC с энергией столкновений на 500 ГэВ или даже выше получил бы зеленый свет. В нынешней же ситуации единственной гарантированной «мишенью» ILC может служить только бозон Хиггса. Для его изучения хватит гораздо более скромной энергии столкновений — 250 ГэВ, что лишь немногим превышает энергию церновского коллайдера LEP из уже прошлого века (рис. 4). Однако это позволит на 40% снизить стоимость реализации проекта при сохранении научной ценности. Подробности нового плана описаны в статьях arXiv:1710.07621 и arXiv:1711.00568, и хочется надеяться, что эта переоценка сдвинет дело с мертвой точки.
Во-вторых, за последние несколько лет детектор LHCb, вкупе с некоторыми другими экспериментами, выдал череду обескураживающих результатов по редким распадам B-мезонов. В целом ряде процессов были обнаружены отклонения от Стандартной модели. Каждое из этих измерений по отдельности не тянет на громкую заявку, но почти все они удивительным образом отклоняются от Стандартной модели примерно в одну сторону, словно намекая на Новую физику. Больше всего обнадеживает то, что эти отклонения — на редкость живучие. При наборе новых данных они не пропадают, а остаются, иногда даже усиливаются. Вот и в этом году коллаборация LHCb выдала еще пару таких аномалий, укладывающихся в общую тенденцию (первое, второе).
Здесь остается широчайший простор для громких открытий. Дело в том, что все эти данные LHCb были получены на основе статистики Run 1, набранной в 2010–2012 годах. Тщательный анализ данных и сравнение с моделированием занимает очень много времени, и обработка данных 2016, а тем более — 2017 года еще не завершена. В отличие от ATLAS и CMS, статистика LHCb не демонстрирует такой огромный скачок при переходе от Run 1 к Run 2, но все равно физики ожидают существенное обновление ситуации с загадками B-мезонов. А ведь впереди еще Run 3, а затем — LHC на повышенной светимости, и кто знает, что еще принесет ближайшее десятилетие.
К тому же, в следующем году вступит в строй модернизированная B-фабрика SuperKEKB с детектором Belle II. Уже в ближайшие годы она станет полноправным охотником за отклонениями, а к 2024 году накопит совершенно запредельную светимость 50 ab−1 (то есть 50 000 fb−1), см. рис. 5. В результате, если, скажем, нарушение лептонной универсальности, обнаруженное в распадах B-мезонов на D-мезоны и лептоны, реально, то детектор Belle II сможет его подтвердить на уровне статистической значимости аж 14σ (сейчас оно достигает лишь 4σ).
Редкие распады B-мезонов — это горячая тема и для теоретиков. Громкие заявления о том, что эксперимент существенно расходится с предсказаниями Стандартной моделью, возможны, только если мы эти самые предсказания надежно вычислены. Но их невозможно просто взять и рассчитать. Все упирается во внутреннюю динамику адронов, головную боль теоретиков, которую приходится оценивать на основе предположений. В результате несколько теоретических групп дают существенно различающиеся оценки того, насколько серьезным является расхождение между экспериментом и Стандартной моделью: кто-то заявляет, что больше 5σ, другие — что не превышает 3σ. Это состояние неопределенности, увы, характерно для нынешних интерпретаций аномалий в B-мезонах.
Низкие энергии
Впрочем, кроме поиска намеков на Новую физику при высоких энергиях, в физике частиц есть немало и других задач. Пусть они реже попадают в заголовки СМИ, но для самих физиков они тоже очень важны.
Одно активное направление исследований касается адронной спектроскопии и, в особенности, многокварковых адронов. Ряд открытий был сделан на LHC в прошлые годы (самое заметное — это обнаружение пентакварка со скрытым очарованием), но и 2017 год принес несколько новых частиц. Мы рассказывали про сразу пять новых частиц из семейства Ωc-барионов, открытых единым махом, и про первый дважды очарованный барион. Косвенной демонстрацией того, насколько эта тема захватила физиков, может служить недавняя теоретическая статья в Nature про энерговыделение в адронных слияниях; публикация в этом журнале, да еще и теоретической статьи — совершенно экстраординарная ситуация для физики частиц.
Еще одна область работы — это попытки разобраться со старыми загадками. Например, еще с 2001 года тянется проблема с магнитным моментом мюона. Эту характеристику мюона можно исключительно точно измерить в эксперименте и очень аккуратно рассчитать теоретически. Измерения и расчеты, однако, расходятся друг с другом примерно на 3σ, и расхождение это зависит к тому же от деталей теоретического анализа. Кто-то считает, что оно исчезнет при более аккуратном измерении и расчете, другие надеются, что здесь мы впервые, сквозь «мюонную призму», видим намек на Новую физику. Так или иначе, этот запутанный клубок проблем давит на физиков уже не одно десятилетие и требует разрешения (см. подробный доклад И. Б. Логашенко Аномальный магнитный момент мюона: окно в мир Новой физики).
Чтобы разобраться с ним, в Фермилабе в этом году запускается новый эксперимент Muon g-2 по измерению злополучного магнитного момента мюона с точностью, в несколько раз превышающей результат 2001 года (см. недавний доклад коллаборации). Первые серьезные результаты следует ожидать уже в 2018 году, окончательные — после 2019 года. Если отклонение останется на прежнем уровне, это станет серьезнейшей заявкой на сенсацию. А тем временем, в ожидании вердикта из Фермилаба, уточняются и теоретические расчеты. Тут загвоздка в том, что адронный вклад в аномальный магнитный момент мюона нельзя вычислить «на кончике пера». Этот расчет тоже неизбежно опирается на эксперименты, но совсем другого рода — например, на рождение адронов в низкоэнергетических электрон-позитронных столкновениях. И тут буквально две недели назад появилось новое измерение от детектора CLEO-c в ускорителе CESR в Корнельском университете. Оно уточняет теоретический расчет и, как выяснилось, усугубляет расхождение: теория и эксперимент 2001 года отличаются теперь на все 4σ. Что ж, тем интереснее будет узнать результаты эксперимента Muon g-2.
Проблемы в физике частиц бывают и чисто инструментальные, скажем, когда разные измерения одной и той же величины сильно расходятся друг с другом. Мы не будем заострять внимание на измерениях гравитационной константы, — эта вопиюще неудовлетворительная ситуация выходит за пределы физики частиц. А вот проблему со временем жизни нейтрона — она во всех подробностях описана в нашей новости 2013 года — упомянуть стоит. Если до середины 2000-х все измерения времени жизни нейтрона давали примерно одинаковые результаты, то новый эксперимент 2005 года, выполненный группой А. П. Сереброва, резко контрастировал с ними. Постановка экспериментов принципиально различалась: в одном измерялась радиоактивность пролетающего пучка нейтронов, а в другом — выживаемость ультрахолодных нейтронов в гравитационной ловушке. Источники систематических погрешностей в этих двух типах экспериментов совершенно разные, и каждая группа критиковала «конкурента», напирая на то, что она-то свои погрешности учла должным образом. И вот, похоже, научный спор близится к своему разрешению. В этом году появилось два новых измерения (первое, второе), проведенные по различающимся методикам. Оба они дают близкие значения и поддерживают результат 2005 года (рис. 7). Окончательную точку сможет поставить новый японский пучковый эксперимент, описанный в недавнем докладе.
По всей видимости, близка к разрешению и другая загадка, мучавшая физиков семь лет — проблема радиуса протона. Эта фундаментальная характеристика ключевого кирпичика материи была, конечно, измерена в многочисленных экспериментах, и все они также давали примерно одинаковые результаты. Однако в 2010 году, изучая спектроскопию не обычного, а мюонного водорода, коллаборация CREMA обнаружила, что, по этим данным, радиус протона на 4% меньше общепринятого значения. Расхождение было очень серьезным — на 7σ. Вдобавок, в прошлом году проблема усугубилась аналогичными измерениями с мюонным дейтерием. В общем, стало совершенно непонятно, в чем вообще подвох: в расчетах, в экспериментах (и тогда — в каких), в обработке данных, или же в самой природе (да-да, некоторые теоретики и здесь пытались увидеть проявления Новой физики). Подробное популярное описание этой проблемы см. в больших материалах Спектроскопия мюонного дейтерия обострила проблему с радиусом протона и Щель в доспехах; краткий обзор текущей ситуации по состоянию на август этого года приведен в публикации The proton radius puzzle.
И вот в октябре этого года в журнале Science вышла статья с результатами новых экспериментов, в которых радиус протона был перемерен в обычном водороде. И — сюрприз: новый результат сильно расходился в предыдущими, всеми уважаемыми водородными данными, зато согласовывался с новыми мюонными (рис. 8). Похоже, что причина расхождения скрывалась в тонкостях измерения частот атомных переходов, а не в свойствах самого протона. Если другие группы подтвердят это измерение, то проблему с радиусом протона можно будет считать закрытой.
А вот другая низкоэнергетическая загадка — аномалия в ядерных переходах метастабильного бериллия-8 — так пока и не получила объяснения (рис. 9). Возникшая из ниоткуда два года назад, она привлекла внимание многих теоретиков, ищущих проявления Новой физики, поскольку она напоминала процесс рождения и распада новой легкой частицы с массой 17 МэВ. На эту тему вышло уже несколько десятков статей, но никакого общепринятого объяснения пока не найдено (см. обзор ситуации по состоянию на июль этого года в недавнем докладе). Сейчас проверка этой аномалии включается в виде отдельного пункта научной программы в будущие эксперименты по поиску новых легких частиц, и нам остается только ждать их результатов.
Сигналы из космоса
Элементарные частицы можно искать и изучать не только на коллайдерах, но и в космосе. Самый прямой способ — это ловить частицы космических лучей и по их спектру, составу, и угловому распределению выяснять, откуда эти частицы взялись. Конечно, подавляющее большинство космических пришельцев были разогнаны до больших энергий разными астрофизическими объектами. Но может статься, что некоторые из них возникли в результате аннигиляции или распада частиц темной материи. Если такая связь подтвердится, это станет долгожданным указанием на конкретные частицы темной материи, столь необходимые для космологии, но такие неуловимые в прямых экспериментах.
За последнее десятилетие было обнаружено несколько неожиданных особенностей в спектрах космических частиц разного сорта; две самые любопытные касаются доли космических позитронов и антипротонов большой энергии. Однако в обоих случаях есть и чисто астрофизические варианты объяснения, откуда в космических лучах столько антиматерии.
И вот совсем недавно новую сенсацию подбросили физикам первые результаты спутниковой обсерватории DAMPE: в ее спектре космических электронов «нарисовался» высокий узкий всплеск при энергии 1,4 ТэВ (см. подробное описание в новости Новые данные по космическим электронам и позитронам принесли очередные загадки, «Элементы», 13.12.2017). Конечно же, многие восприняли его как прямой сигнал от аннигиляции или распада частиц темной материи (рис. 10) — в первые же дни после обнародования результатов DAMPE вышло свыше десятка статей на эту тему (см. материал Изломы и всплески далекого космоса). Сейчас поток ослаб; ясно, что следующий шаг — за новыми наблюдательными данными, и они, к счастью, поступят через год-два.
А вот другой недавний результат относится совсем к иным масштабам, космологическим, и к иным частицам — нейтрино. В появившейся в ноябре статье arXiv:1711.05210 сообщается о том, что, на основе пространственного распределения скоплений галактик, впервые удалось измерить сумму масс всех типов нейтрино: 0,11 ± 0,03 эВ. Нейтрино — это самые загадочные из известных фундаментальных частиц. Они обескураживающе легкие, настолько легкие, что большинство физиков уверено, что за их массу отвечает не хиггсовский механизм, а какая-то Новая физика. Кроме того, они осциллируют, спонтанно превращаются друг в друга на лету — и за доказательство этого факта была присуждена Нобелевская премия по физике за 2015 год. Благодаря осцилляциям мы знаем, что у трех сортов нейтрино массы разные, но мы не знаем их общего масштаба. Будь у нас это одно-единственное число, сумма масс всех нейтрино, мы бы смогли резко ограничить фантазии теоретиков относительно того, откуда вообще у нейтрино берутся массы.
Общий масштаб масс нейтрино можно, в принципе, измерять и в лаборатории (эксперименты ведутся, но пока дают лишь ограничение сверху), а можно извлекать из космических наблюдений. Дело в том, что нейтрино в космосе всегда было очень много, и в ранней Вселенной они влияли на формирование крупномасштабной структуры — зародышей будущих галактик и их скоплений (рис. 11). В зависимости от того, какова их масса, это влияние различается. Поэтому изучив статистическое распределение галактик и их скоплений, можно извлечь и суммарную массу всех типов нейтрино.
Конечно, такие попытки делались и раньше, но все они давали лишь ограничение сверху. Самое консервативное из них — это результат коллаборации Planck 2013 года: сумма масс меньше 0,25 эВ. Отдельные группы исследователей потом объединяли данные Planck с другими и получали более сильные, но и более модельно-зависимые ограничения сверху, вплоть до 0,14 эВ. Но это по-прежнему оставались именно ограничения! А новая статья, проанализировав опубликованный недавно каталог скоплений галактик, впервые смогла увидеть эффект от ненулевой массы и извлечь число 0,11 ± 0,03 эВ. Эта работа продолжается и дальше, так что можно ожидать, что в ближайшие годы ситуация полностью определится. А пока что заметим, что астрофизическое сообщество к этой работе отнеслось довольно настороженно: видимо, столь опосредованное статистическое измерение требует тщательно перепроверки.
И немного о теории
Теоретическая физика частиц в 2017 году, в целом, продолжила тенденцию прошлых лет. Есть отдельные четко очерченные направления работы, — и внутри них теоретики планомерно решают свои достаточно технические задачи. А есть очень широкое коммьюнити физиков-феноменологов, которые разными методами пытаются нащупать Новую физику. В этом пестром коллективе даже и близко нет намека на скоординированное движение в одном направлении. Скорее, в отсутствие четких экспериментальных указаний, здесь наблюдается броуновское движение частиц-теоретиков в многомерном и запутанном пространстве математических возможностей. Какая-никакая польза от этого есть: сообщество проверяет все возможные варианты гипотетического устройства нашего мира, либо отбрасывая их из-за несогласия с экспериментом, либо, наоборот, разрабатывая вглубь. Но сами теоретики признают, что подавляющее большинство конкретных моделей, которые они сейчас предлагают и изучают, будет рано или поздно выброшено за ненадобностью на свалку истории.
Из всего безбрежного моря разработок выделим, пожалуй, только одну тенденцию, которая стала усиливаться в последние год-два. Физики постепенно перестают цепляться за те идеи, которые им казались естественными — будь то эстетические соображения или естественность в вычислительном смысле, см. по этому поводу недавний доклад, в явных выражениях подчеркивающий эту мысль. К чему это в конце концов приведет — предсказать сейчас, из 2017 года, невозможно. Может быть, теоретики обнаружат-таки элегантную теорию, предсказания которой будут подтверждаться. А может быть, сначала придут долгожданные экспериментальные результаты, указывающие на физику за пределами Стандартной модели, и теоретики методом проб и ошибок подберут к ним ключи. Может, конечно, оказаться и так, что ничего существенно нового так и не обнаружится в ближайшие десятилетия — и тогда придется пересматривать весь подход к дальнейшему изучению микромира. Одним словом, мы сейчас на перепутье и в состоянии неопределенности. Но видеть в этом следует не поводы для уныния, а признак того, что нас ждут перемены.
Игорь Иванов
