Нові розваги фізиків: полювання на невидимі частинки, які втекли з колайдера

Фізика елементарних частинок розвивається, звісно, не зі швидкістю світла, але й не надто повільно. Як і для будь-якої іншої наукової царини, важливим та завжди актуальним є питання експериментальної техніки. Наймасштабнішим проектом у цій сфері, ймовірно, можна вважати Великий адронний колайдер (ВАК) – найбільший у світі прискорювач елементарних частинок, кільце, окружністю 27 км, у якому 11 245 разів на секунду стикаються прискорені пучки протонів, а результати зіткнень записуються за допомогою спеціальних детекторів.

Через кілька років, якщо команді фізиків вдасться досягти поставленої мети, на кордоні між Францією та Швейцарією може з’явитися приземкувата будівля. Ззовні схожа на склад, вона стане доповненням ВАК і міститиме науковий прилад під назвою MATHUSLA (Масивний хронометричний годоскоп для ультрастабільних нейтральних частинок). Його завдання – полювати на довговічні частинки, які не може самостійно виявити ВАК. Більше про це – в адаптованому перекладі матеріалу з ресурсу Live Science.

Наукові прогалини та дірки

Нині квантовий всесвіт нагадує головоломку, в якій відсутня більшість складових частин. Ті фрагменти пазлу, які вчені вже знайшли, – кварки, нейтрино, бозони, мюони, тау-лептони, фотони та глюони і найвідоміші – бозони Хіггса, об’єднуються разом, щоб сформувати картину, звану «Стандартною моделлю». Але ця картина має незвичайну форму та безліч прогалин і натяків на те, що людству відомі далеко не всі фізичні процеси.

Однією з таких прогалин є бозон Хіггса. Варто пояснити, що бозон Хіггса – це елементарна частинка, вперше запропонована британським фізиком Пітером Хіггсом (Peter Higgs) ще в 1964 році. Вона є найважливішою частиною «Стандартної моделі» фізики. Бозон Хіггса пояснює, чому в інших частинок є маса. ВАК вдалося довести існування бозона Хіггса (що, власне, вважається найбільшим досягненням величезного механізму), але фізики стикнулися з проблемою. Як пояснив професор Торонтського університету (Канада), один з творців концепції MATHUSLA, Девід Кертін (David Curtin), бозон Хіггса виявився не таким масивним, як передбачала квантова фізика. Тож сучасна модель квантового всесвіту потребує значної «корекції» рівнянь, що застосовують бозон Хіггса.

Століття досвіду вказують вченим, що такі поправки, як правило, стосуються елементів, яких дослідники ще просто не розуміють. Як приклад можна навести космологічну константу Альберта Ейнштейна, яку він включив до теорії відносності, щоб врахувати явища, що, як виявили вчені пізніше, були наслідками розширення Всесвіту, про що Ейнштейн не підозрював, а потім жалкував, що не передбачив. Фізики, пояснює Кертін, підозрюють, що маленька маса бозона Хіггса означає, що існують інші, невиявлені частинки, які теж впливають на процеси у всесвіті. Ця гіпотеза та інші дивні прогалини, як от всі відсутні, таємничі маси у всесвіті, які вчені називають темною матерією, змушують дійти висновку, що фізики ще не бачили безліч фізичних аспектів.

Детектор ATLAS у Великому адронному колайдері, один з великих універсальних детекторів з широкою сферою функціонування

Головна мета ВАК полягала у тому, щоб заповнити прогалини у головоломці квантового всесвіту. Джессі Шелтон (Jessie Shelton), фізик-теоретик з Іллінойського університету в Урбана-Шампейн (США), яка, зокрема, редагувала проектну документацію MATHUSLA, говорить, що поки що, за важливим винятком власне виявлення бозона Хіггса, ВАК не виправдовує себе. Після виявлення бозона Хіггса, навіть після кількох оновлень механізму, полювання на нові частинки не дало жодних результатів. Причин може бути кілька: приміром, люди вичерпали можливість отримувати нові частинки за допомогою наявних методів, або, цілком ймовірно, науковці не можуть виявити їх через чинні налаштування детекторів, чи тому, що пучок ВАК занадто слабкий.

«– Існує щось нове й незвідане. Про це свідчить темна матерія. На жаль, ми не маємо жодної гарантії, що це нове може “говорити” з нами за допомогою ВАК», – заявила Шелтон.

І доки дорогий ВАК не може виявити інші фізичні явища, окрім бозонів Хіггса, важко виправдати створення будь-яких більших детекторів у майбутньому (при будівництві ВАК говорилося про те, що він функціонуватиме щонайбільше 10 років, а потім будуватиметься ще більший прискорювач). Натомість необхідно шукати інші ідеї та підходи.

Велика нова ідея

У квітні Шелтон стояла перед натовпом фізиків на великій нараді Американського фізичного товариства (APS) у Колумбусі, штат Огайо, і стверджувала, що ВАК, можливо, вже створив відсутні частинки, але, ймовірно, не зміг їх виявити, оскільки всі датчики ВАК калібруються для виявлення конкретного виду подій: екзотична частинка виникає в результаті зіткнення двох протонів. У надзвичайно короткий час вона розпадається на більш стійкі, менш екзотичні частинки, які розлітаються у всіх напрямках. Ці частинки проходять через іонізувальні пластини та блискучі кристали, що оточують пучок колайдера, і їх специфічна траєкторія дає підказки фізикам щодо того, з якої екзотичної частинки вони виникли. За словами Шелтон, ВАК вже міг би отримати сліди довговічних частинок з деяким перекалібруванням. Навіть зазвичай довговічна частинка іноді швидко розпадається. І деякі довговічні частинки можуть залишати сигнальні знаки в датчиках до розпадання. Їх виявлення може бути питанням перекалібрування детекторів та алгоритмів.

Це – один можливий підхід. Але, ймовірно, стверджує Шелтон, відсутні екзотичні частинки не розкладаються так швидко, як сподіваються розробники ВАК. Можливо, такі спекулятивні частинки, як глюїни та композитні темні глюболи, все ж існують і з’являються у ВАК, але не розпадаються в межах вузького тунелю. Наприклад, якщо глюїн може вижити навіть на кілька частинок секунди довше, ніж очікувалося фізиками, він може проникати через стінки колайдера, проходити через сотні метрів твердого граніту, який ховає ВАК під землею, і підійматись на французько-швейцарське сонячне світло перед тим, як розпадатись десь у лісі. Таким чином, його сліди будуть далеко поза межами виявлення ВАК.

Зображення зіткнення протон-протон з детектора ВАК

Дослідники вважають, що найбільша надія на виявлення довговічних частинок лежить у лісі на французько-швейцарському кордоні. Там вони і пропонують побудувати MATHUSLA, по суті, склад, завдовжки 20 м, наповнений детекторами частинок. Він розміщатиметься на вершині ВАК і вивчатиме часточки, які «втекли» з ВАК. Функцію MATHUSLA можна порівняти з функцією риби-прилипали, яка харчується крихтами їжі, що вискакують з відкритого рота великого створіння. Науковці вважають, що, ретельно вивчаючи ці «крихти» (у цьому випадку — довговічні частинки, які пройшли через стінки ВАК), MATHUSLA допоможе вирішити комплекс проблем, які не вдалося вирішити ВАК, і виявити відсутні частинки квантового всесвіту. Враховуючи товсту гранітну підлогу, що відокремлює пучок ВАК від MATHUSLA, більшість радіоактивного хаосу ВАК зникне. Необхідно буде виявити лише порівняно рідкісні скупчення довговічних частинок. Маючи менше часток для виявлення в ширшій області виявлення, MATHUSLA може створювати дуже детальні картини екзотичних частинок, що розкладаються всередині, якщо вони таки існують.

«– Якщо невидима частинка вийде і розпадеться, видимі частинки [на які вона розпадається] ніби відбиватимуться від стелі, – говорить Кертін. – Шари [детекторів] побачить ці доріжки так само, як трекери всередині ВАК під землею, але цей [масив детектора] значно більший і може бути значно повільнішим».

Ціна питання

На разі MATHUSLA – лише проект. За словами Кертіса через повільніший темп і більший простір проекту MATHUSLA потрібні значно простіші, ніж у випадку ВАК, електроніка та інженерія. За передбаченнями науковця та його колег, витрати на побудову MATHUSLA становитимуть близько $50 млн, що просто копійки у порівнянні з багатомільярдними витратами на будівництво ВАК. Розробники MATHUSLA сподіваються, що Європейська організація ядерних досліджень (CERN), яка експлуатує ВАК, виділить кошти на MATHUSLA. Утім, вони також сподіваються на гранти від неєвропейських країн або, можливо, від окремих багатіїв.

БІЛЬШЕ ЗА ТЕМОЮ:

Джерело: Live Science, переклад підготувала Ірина Гоял, спеціально для «Блог Imena.UA»

Читайте также:

Як відчувати себе на 11 років молодшими? Результати дослідження Lenovo

Розвиток і зростання Pet Tech

Дослідження індустрії MarTech в Україні

Недобрий знак: показники IQ в розвинених країнах знижуються