.
О проекте
Нас блокируют. Что делать?

Зарегистрироваться | Войти через:

Политзеки | Свобода слова | Акции протеста | Беларусь
Читайте нас:
На основном сайте Граней: https://graniru.org/Society/Science/m.112708.html

статья Аномалии при распаде частиц - путь к Новой Физике

Максим Борисов, 14.10.2006
Это так называемая "пингвинья диаграмма". Изображение с сайта Wikipedia (en.wikipedia.org)
Это так называемая "пингвинья диаграмма". Изображение с сайта Wikipedia (en.wikipedia.org)
Реклама
справка Справка

Кварки

Кварки и антикварки наряду с лептонами принадлежат к числу самых фундаментальных (неделимых, а точнее говоря, бесструктурных с точки зрения современной физики) компонентов окружающей нас материи и имеют по шесть различных разновидностей или "ароматов": "верхний" (up), "нижний" (down), "странный" (strange), "очарованный" (или "чармированный", charm), "красивый" (beauty или bottom) и "истинный" (truth или top), - и обычно объединяются в пары или троицы, формируя другие частицы - мезоны и барионы, которые скрепляются за счет ядерных сил (или "цветных", иначе говоря, сильных взаимодействий, переносчиками которых являются другие частицы - глюоны). Так, мезоны содержат кварк и антикварк, в то время как барионы состоят из трех кварков или трех антикварков. Два "верхних" и один "нижний" кварк образуют протон, а странный кварк и антикварк в совокупности дают отрицательный каон (ка-мезон).

справка Справка

Слабое взаимодействие

- одно из четырех известных фундаментальных взаимодействий между элементарными частицами. Слабое взаимодействие значительно слабее сильного и электромагнитного взаимодействий, но гораздо сильнее гравитационного.

Об интенсивности взаимодействий можно судить по скорости процессов, которые оно вызывает. Обычно сравнивают между собой скорости процессов при энергиях порядка 1 ГэВ, характерных для физики элементарных частиц. При таких энергиях процесс, обусловленный сильным взаимодействием, происходит за время порядка 10-24 с, электромагнитный процесс - за время порядка 10-21 с, характерное же время процессов, происходящих за счет слабого взаимодействия (слабых процессов), гораздо больше: порядка 10-10 с, так что в мире элементарных частиц слабые процессы протекают чрезвычайно медленно.

Другая характеристика взаимодействия - длина свободного пробега частицы в веществе. Сильно взаимодействующие частицы (адроны) можно задержать железной плитой толщиной в несколько десятков см, тогда как нейтрино, обладающее лишь слабым взаимодействием, проходило бы, не испытав ни одного столкновения, через железную плиту толщиной порядка миллиарда км. Еще более слабым является гравитационное взаимодействие, сила которого при энергии порядка 1 ГэВ в 1033 раз меньше, чем у слабого взаимодействия. Однако обычно роль гравитационного взаимодействия гораздо заметнее роли слабого взаимодействия. Это связано с тем, что оно, как и электромагнитное, имеет бесконечно большой радиус действия; поэтому, например, на тела, находящиеся на поверхности Земли, действует гравитационное притяжение всех атомов, из которых состоит Земля. Слабое же взаимодействие обладает очень малым радиусом действия: около 2х10-16 см (что на три порядка меньше радиуса сильного взаимодействия). Вследствие этого, например, слабое взаимодействие между ядрами двух соседних атомов, находящихся на расстоянии 10-8 см, ничтожно мало, несравненно слабее не только электромагнитного, но и гравитационного взаимодействий между ними.

Однако, несмотря на малую величину и короткодействие, слабое взаимодействие играет очень важную роль в природе. Так, если бы удалось "выключить" слабое взаимодействие, то погасло бы Солнце, поскольку был бы невозможен процесс превращения протона в нейтрон, позитрон в нейтрино, в результате которого четыре протона превращаются в 4He, два позитрона и два нейтрино.

Физическая энциклопедия. М., 1994

С недавних пор в центре внимания многих специалистов по квантовой хромодинамике находится некоторая аномалия, выявляемая в ходе экспериментов на B-мезонных фабриках. Первоначально она была замечена исследователями Стэнфордского центра линейного ускорителя SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) Министерства энергетики США, ну а затем тот же феномен проявился и на ускорителе KEK японской Организации исследований в области ускорителей высоких энергий (High Energy Accelerator Research Organization) в Цукубе (эксперимент Belle). Сообщения об этом феномене, в частности, можно было услышать и на конференции по физике высоких энергий, организованной этим летом в Москве.

Стандартная модель физики элементарных частиц (Standard Model - SM) предсказывает, что два пути (канала) распада B-мезона (мезона, состоящего из тяжелого анти-b-кварка и другого легкого кварка) должны иметь примерно одинаковую вероятность, однако регистрируемые в эксперименте продукты распада в разных ветвях демонстрируют неожиданно большую диспропорцию. И теперь вот индийские физики-теоретики из Института математических проблем (Institute of Mathematical Sciences - IMSc) опубликовали в журнале Physical Review Letters (PRL, vol 97, p 131802) статью, где показали, что объяснить новое несоответствие в рамках Стандартной модели уже не представляется возможным (текст вышеупомянутой статьи доступен также и на arXiv.org - Has New Physics already been seen in B_d meson decays?). То есть, если верить этой статье, выходит, уже теперь в экспериментах можно наблюдать проявления так называемой Новой Физики (New Physics - NP).

Рахул Синха (Rahul Sinha), Басудха Мисра (Basudha Misra) и Вей-Шу Хоу (Wei-Shu Hou, Физический факультет Национального тайваньского университета) пробовали сначала "честно" объяснить несоответствие с использованием Стандартной модели, но у них ничего не вышло. После этого они склонились к альтернативному объяснению. "В настоящее время еще невозможно выявить точный вид Новой Физики, которая могла бы стоять за этими данными, - поясняет Синха. - Мы теперь нуждаемся не только в большем количестве статистических данных распадов B-мезонов, но и в большем количестве теоретических исследований. Это может оказаться проявлением суперсимметрии, а может - чем-то иным".

Две различные моды распада B-мезона приводят к появлению странного кварка (strange quark, s-кварк) наряду с двумя другими частицами - либо чармированного и античармированного кварков (другое название - "очарованный" кварк, charm, c-кварк), либо "q" и анти-"q" кварков, где q может быть верхним, нижним, либо странным кварком (u, d, s). В целом нейтральный, B-мезон имеет очень интересное свойство: он может смешиваться со своей античастицей, анти-B-мезоном (осцилляции, знакомые нам по осцилляциям разных "сортов" нейтрино, переходящих одно в другое), что приводит к появлению фазы, именуемой "B-мезоном смешанной фазы". Согласно Стандартной модели, B-мезоны распадаются через слабые взаимодействия, и распады, которые приводят к появлению странных кварков, имеют два различных вклада от двух различных (вышеупомянутых) слабых фаз. Только в первом случае все более-менее просто (нет эффектов квантовых флуктуаций от тяжелых частиц), а вот распад на "q" и анти-"q" проходит через так называемый "пингвиний" процесс ("пингвинный", penguin process), в результате которого частица на мгновение преобразуется в "истинный" кварк (самый тяжелый truth или, иначе говоря, top quark). И вот в этих-то "пингвиньих животах", вызывающих регистрируемую экспериментально асимметрию распадов, физики и надеются отловить еще какие-нибудь неизвестные миру частицы, появление которых необъяснимо с точки зрения Стандартной модели.

В принципе, некоторое отклонение при сравнении смешивающихся фаз B-мезона от двух различных мод распада ожидаемо и в случае "старой физики". Однако Стандартная модель предсказывает отклонение лишь в пределах нескольких градусов, в то время как измеренное отклонение значительно больше - приблизительно 13 градусов. Кроме того, направление этого отклонения прямо противоположно теоретически предсказанному с помощью СМ.

Чтобы объяснить несоответствие между предсказываемым и наблюдаемым распадами, Синха и его группа, как мы уже упоминали, первоначально изучили возможности, которые может предоставить для объяснений Стандартная модель. Используя модельно независимый подход, они показали (в цифровой форме и геометрически), что отклонение смешиваемой фазы не может превышать слабой фазы одного из вкладов.

"Исключив какие-либо предположения, задействовавшие адроны, мы показали, что в рамках Стандартной модели объяснить наблюдаемое несоответствие при смешивании фаз B-мезонов невозможно, измерения включают лишь эти две известные моды", - пишут Синха и его коллеги. Однако чтобы подтвердить вывод о том, что большое отклонение действительно свидетельствует о проявлении Новой Физики, требуется гораздо больше наблюдений: "Мы должны собрать большие наборы данных по B-мезонам на B-мезонных фабриках* SLAC и KEK, и надеяться на то, что будущие модернизации оборудования позволят улучшить статистическое значение стандартного отклонения, - говорит Синха. - Маленькая фаза (названная в статье 'beta_s') могла бы быть измерена в будущем непосредственным образом".

Если Стандартная модель не сможет объяснить эти наблюдения, то физики-ядерщики начнут прокладывать путь к Новой Физике - физике, описывающей явления за пределами Стандартной модели. Ведь хотя Стандартная модель в свое время и оказала физикам много неоценимых услуг (так, со времен ее бурного расцвета в 1970-х гг. последовали точные объяснения и предсказания существования нескольких ранее неизвестных частиц), в настоящее время эта модель достигла своих пределов и не в состоянии объяснить новые явления, открываемые в самых разных областях (например, присутствие во Вселенной темного вещества, природу гравитации и наличие масс у частиц), и поэтому в дальнейших открытиях большой помощи уже не оказывает. Даже самая маленькая погрешность вроде этого неправильного предсказания смешивания B-фаз теперь может привести к новому пониманию частиц и сил, которые царят во Вселенной.

В интервью, данном PhysOrg.com, индийский теоретик упоминает о потенциальных кандидатах на роль этой самой Новой Физики. В частности, речь идет о суперсимметрии - самом популярном сценарии для дальнейшего развития Новой Физики (согласно предсказаниям этой теории, все частицы из Стандартной модели на самом деле имеют еще и так называемых суперпартнеров, при этом "темное вещество" - то есть материя, которая никак не поддается обнаружению, хотя во много раз перевешивает обычное вещество в космосе, - может как раз состоять из огромных роев таких суперсимметричных частиц, пронизывающих пространство). К сожалению, никаких экспериментальных данных в пользу суперсимметричных построений пока еще не получено. Конечно, можно уже считать установленным, что нейтрино обладает ненулевой массой покоя, однако для того, чтобы этот факт стал совместим со Стандартной моделью, требуются всего лишь небольшие "косметические" вставки, и всерьез выйти за пределы Стандартной модели таким образом не получается. Казалось также, что признаки Новой Физики проявились в ходе измерений магнитного момента мюона (там возникали небольшие несоответствия между теорией и экспериментом). Однако, из-за неуверенности в оценке влияния со стороны адронов, эффектов, вызванных сильными взаимодействиями (то есть родственных тем силам, что склеивают воедино ядра химических элементов), мы не можем говорить с полной уверенностью о том, что данные несоответствия действительно определяются присутствием Новой Физики.

"При применении нашего метода (который пока работает очень хорошо) при изучении слабых распадов мезонов нет никакой неуверенности, связанной с возможным влиянием адронной природы частиц [и, стало быть, сильными взаимодействиями], - говорит Синха. - Единственной причиной, по которой это несоответствие может не оказаться Новой Физикой, было бы исчезновение эффекта по мере дальнейшего набора статистики. Экспериментаторы делают такие оценки в терминах статистической значимости результатов. Указывается значение порядка 2,6 сигмы (среднеквадратичного отклонения), а это означает не менее чем однопроцентный шанс на то, что это несоответствие является лишь статистическим выбросом". Так что все-таки не исключено, что авторы статьи в очередной раз поторопились отыскать "Новую Физику" там, где ее еще нет.

На иллюстрации вверху:
Это так называемая "пингвинья диаграмма". Она показывает, в частности, возможный путь взаимодействия с top-кварком - в нижней части петли (формирующей этакий "живот" пингвина). Новая Физика подразумевает ко всему прочему и участие в этих процессах (вот в этой самой "петле") каких-то совершенно новых частиц. Изображение с сайта Wikipedia (en.wikipedia.org)

Источники:
Particle decay may point to New Physics - PhysOrg.com
Has New Physics already been seen in B_d meson decays? - arXiv.org - hep-ph

Ссылки:
Тайна B-мезонов - Scientific.ru
Лекции по B-физике
"Прелестная одиссея" или краткая история B-физики
Распад B-мезона
Кварки - "Астрофорум"
Обсуждение в блоге на Элементах.Ру

_______________________________________

* - B-мезонная фабрика - это ускоритель, в котором сталкиваются встречные пучки электронов и позитронов, за счет чего рождаются пары B-мезонов и их соответствующих античастиц, которые в свою очередь распадаются на более легкие "обломки". Вокруг всего этого "поля битвы" навешивается комплекс из очень чувствительных радиационных детекторов, собирающих информацию по продуктам распада.

Максим Борисов, 14.10.2006


новость Новости по теме
Фото и Видео

Реклама
Выбор читателей