Проблемы с переносчиком слабых взаимодействий
Вид на лабораторию Ферми в районе Чикаго. Главный инжектор (нижнее кольцо) и Теватрон с периметром 6,28 км (верхнее кольцо) расп
Новые точные измерения, проведенные исследователями из Рочестерского университета (University of Rochester), заставили пошатнуться здание Стандартной модели физики элементарных частиц, верой и правдой служившей ученым на протяжении многих десятилетий. Бен Килминстер (Ben Kilminster) и профессор Кевин Макфарланд (Kevin McFarland) использовали ускоритель частиц в Fermilab (Фермиевской национальной ускорительной лаборатории), чтобы достичь рекордной точности, достаточной для выявления некоторых характеристик распада top-кварка, самой тяжелой из частиц, известных физикам (его масса сравнима с массой атома золота, тяжелее должен быть только бозон Хиггса). Об этой работе сообщается в журнале Physical Review D.
В результате этих новых исследований был сделан обескураживающий вывод: никакой связи между top-кварком и слабым взаимодействием быть не может, и приходится распроститься с очень притягательной идеей, согласно которой близость по величине энергий top-кварка и переносчиков слабых взаимодействий - пары W-бозонов - отнюдь не случайна и top-кварк в этом смысле вовсе не может быть резко выделен среди всех остальных известных частиц. Топ-кварк (иначе говоря, t-кварк, truth, "истинный" кварк) был открыт в 1997 г. Связь между этим кварком и так называемым промежуточным векторным бозоном калибровочного поля означала бы, что top-кварк занимает совершенно особое место в иерархии квантового мира, возможно, как своего рода "прародитель" слабой силы, которая ответственна за основные характеристики всего известного нам вещества.
"Никто еще не проделывал столь точных измерений такого рода. Полученные данные открывают новую страницу в нашем знании устройства Вселенной, - заявил Макфарланд. - Люди отчаянно пытаются понять, почему слабая сила слаба. Ведь в начале существования нашей Вселенной это сила, объединенная с другими взаимодействиями, была ответственна за распространение света; однако теперь световые лучи могут пронзать весь космос, а действие слабых сил ограничивается размерами атома. Мы придумали много теорий, объясняющих этот факт, однако наши результаты дают знать, что многие из этих теорий должны быть попросту забыты".
Согласно стандартной теории электрослабого взаимодействия, созданной в 1960-х гг. Глэшоу, Вайнбергом и Саламом и объединившей слабое и электромагнитное взаимодействия, слабые взаимодействия проявляются путем обмена массивными частицами - промежуточными векторными бозонами W+, W- и Z0. При этом W+ и W--бозоны осуществляют взаимодействие заряженных токов, а Z0-бозоны - нейтральных.
Чтобы разобраться в критически важной связи между top-кварком и калибровочным W-бозоном, Макфарланд и Килминстер разработали специальную процедуру измерения четности top-кварка. Четность - это свойство квантовых частиц, описывающее, как они действуют, если все направления в пространстве меняются на противоположные (как будто бы мы рассматривали их в зеркале). Вообразите отправленный вашему сопернику теннисный мячик. Вы ожидаете, что мячик, отразившись рикошетом от ракетки противника или от корта, как от зеркала, полетит вспять. Однако не все свойства частицы при "отражении" меняются на противоположные. Так, закрученный вправо теннисный мячик после отражения от ракетки соперника полетит к вам, вращаясь в том же самом прежнем направлении - по часовой стрелке. Физики обнаружили нечто подобное и в микромире. Макфарланд и Килминстер полагали, что если удастся показать, что чрезвычайно тяжелый top-кварк является "левозакрученным", то слабая сила будет вероятнее всего действовать в том же самом направлении.
Измерение хиральности (свойства, наличие которого означает несовместимость объекта со своим отражением в идеальном зеркале) top-кварка с нужной точностью никогда прежде не проводилось, потому как не был придуман способ непосредственного измерения этого параметра top-кварка. Рочестерская группа решила изучить распады top-кварка на менее массивные частицы. Одна из основных функций слабой силы заключается в возможности "разъединять" более тяжелые частицы, подобные top-кварку, на более легкие кварки, из которых состоит почти вся видимая Вселенная. Килминстер разработал программу, которая позволяла выявить события от всех частиц, которые были произведены на свет в результате распада top-кварка, и определить статистическими методами, какой именно top-кварк был тому причиной.
В результате выяснилось, что в большинстве случаев распад top-кварка не обладал ожидаемой симметрией, и таким образом слабая сила проявляет себя в этом случае тем же самым основным способом, что и в случае взаимодействия всех остальных частиц. Теории, основанные на идее, согласно которой top-кварк и слабая сила связаны между собою особыми взаимоотношениями, не подтвердились.
"Тот факт, что top-кварк и W-boson имеют "связанные" массы, теперь скорее всего можно считать простым совпадением, - говорит Макфарланд. - Модели, которые полагаются на эту особую связь, выглядят все более неправдоподобными. Эти теории - отчаянное усилие удержать последние рубежи существенно скомпрометированной Стандартной модели. Если эти теории будут опровергнуты, то мы оказываемся перед необходимостью перейти к разработке принципиально новых моделей Вселенной".
Источник:
New Measurement Undermines Physicists' Theories for Nature's Hidden 'Particle-Force' Collaboration - University of Rochester Press Releases
Ссылки:
The Top Quark: worth its weight in gold - University of Rochester
Топ-кварк - Ядерная физика
Слабое взаимодействие - Квантовая механика
Мелодрама под названием "Время искать Хиггс" - "Русский переплет"
Круги на воде, или Зачем человечеству ускорители
Обсудить
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
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).
Статьи по теме
Проблемы с переносчиком слабых взаимодействий
Новые точные измерения, проведенные исследователями из Рочестерского университета, заставили пошатнуться здание Стандартной модели физики элементарных частиц, верой и правдой служившей ученым на протяжении многих десятилетий. Бен Килминстер и профессор Кевин Макфарланд использовали ускоритель частиц в Fermilab, чтобы достичь рекордной точности, достаточной для выявления некоторых характеристик распада top-кварка, самой тяжелой из частиц, известных физикам.
Дутый термояд
Сообщения о научных сенсациях могут подолгу будоражить воображение широкой публики, однако при этом решительно не приниматься научным сообществом. Первооткрыватели так называемого "пузырькового термояда" в свое время, казалось, лишились каких-либо шансов на признание, однако группа не только не бросила своих экспериментов, но и завоевала новых сторонников из стана бывших скептиков. К тому же дальнейшие исследования взялось субсидировать знаменитое подразделение Пентагона DARPA.
Раз в 10 000 лет Земля купается в темной материи
Солнечная система в своем движении через космическое пространство может регулярно сталкиваться с чрезвычайно разреженными скоплениями экзотических элементарных частиц, сохранившимися со времен раннего детства Вселенной. Об этом свидетельствуют вычисления швейцарских физиков.
Датчик гравитационных волн уходит под землю
Гравитационные волны - это своего рода "рябь" в пространственно- временном континууме, которая возникает тогда, когда массивные космические тела испытывают ускорение (точнее говоря, гравитационные волны излучаются массами, движущимися с переменным ускорением). Альберт Эйнштейн предположил их существование в рамках своей Общей теории относительности еще в 1915 году. Двигаться гравитационные волны должны были со скоростью света. Однако эти волны очень слабы и их регистрация до сих пор находится на грани технических возможностей.
Немецкие математики установили, что Вселенная по форме напоминает дудку
Вселенная может иметь форму не какого-нибудь там шара или додекаэдра, а... рожка или горна. Точнее говоря весь наш космос вытянут в этакую длинную трубку, с узким концом с одной стороны и "раструбом" с другой. Такая "конструкция" нашей Вселенной кроме всего прочего подразумевает, что она конечна, а в каких-то ее местах встречаются области, где можно увидеть собственный затылок.
Физики доказали, что рукописи не горят
Известный популяризатор науки и специалист по черным дырам Стивен Хокинг на пару с Кипом Торном, по всей видимости, проспорил Джону Прескиллу полное собрание томов Британской энциклопедии. В 1997 году эти три космолога заключили между собой ставшее вскоре широко известным пари относительно того, исчезает или нет информация, поглощаемая черными дырами вместе с материальными носителями, то есть меняется ли вообще внутреннее состояние черной дыры в зависимости от конкретных характеристик частиц, которые ею поглощены.
Сколько годков Галактике
Получена важная информация о возрасте Млечного пути. Новая оценка основана на измерении уровня бериллия-9 в древнейших звездах шаровых скоплений - спутников нашей Галактики. Таким образом выяснилось, что она существует уже около 13,6 миллиарда лет (плюс-минус 800 миллионов).
Черные дыры разрушили теорию призрачных частиц
Недавно появилась интересная теория, которая претендует ни много ни мало, как на раскрытие всех основных тайн современной космологической науки. Эта теория "призрачного конденсата" появилась в прошлом году. Предполагается, что межзвездный вакуум заполнен своеобразной "жидкостью" или "флюидом" из призрачных частиц. Однако согласно последним вычислениям, черные дыры, населяющие нашу Вселенную, могли бы очень быстро "выхлебать" любую подобную "жидкость".
Мюоны указывают путь к невидимой вселенной
Международная группа физиков из Брукхэвенской лаборатории сообщила о том, что в экспериментах с элементарными частицами удалось обнаружить серьезные отклонения от теоретических предсказаний, даваемых Стандартной моделью. Измерялось колебание мюонов в магнитном поле. Нарушение Стандартной модели - это уже вполне ожидаемое событие, многие ученые полагают, что благодаря этому откроются горизонты новой физики элементарных частиц.
Вселенная может оказаться старше
Вселенная может оказаться примерно на миллиард лет старше своего официального возраста. К такому выводу пришли физики из Италии и ФРГ. Их выводы основаны на измерении скорости цепочки термоядерных реакций, которые обеспечивают светимость горячих и ярких звезд, масса которых как минимум в два-три раза превышает массу нашего Солнца.
Искусственное ускорение ядерного распада
Японским физикам впервые удалось заметно увеличить скорость естественного распада ядер радиоактивного элемента, не подвергая их никаким экстремальным воздействиям. Они сумели загнать атомы бериллия-7 во внутреннюю часть почти сферических шестидесятиатомных молекул углерода, так называемых фуллеренов. В результате электронная плотность в окрестности бериллиевых ядер возросла, что вызвало прирост темпа радиоактивного распада.
Бозон Хиггса потяжелел
Международный коллектив физиков, работающих на гигантском американском протон-антипротонном коллайдере "Тэватрон", заново измерил массу t-кварка, которая оказалась несколько больше ранее принятого значения. Это объясняет негативный результат экспериментов по поиску так называемого бозона Хиггса, которые в конце прошлого десятилетия проводились в ЦЕРНе.
"Частица бога" не откроет тайну американцам
Один из ключевых вопросов современной физики высоких энергий - подтверждение или опровержение существования теоретически предсказанной еще в 1964 году экзотичной субатомной частицы, называемой бозоном Хиггса. Предполагается, что бозон Хиггса сыграл основную роль в механизме, посредством которого некоторые частицы (кварки, лептоны) во время Большого взрыва приобрели массу, а другие остались безмассовыми (фотоны).
Самые выдающиеся открытия 2003 года: темная энергия, пентакварки, бозе-конденсаты, квантовые компьютеры и др.
Многие западные издания выстраивают своеобразные хит-парады научных достижений уходящего 2003 года. Мы публикуем один из таких списков, составленный редакцией издания PhysicsWeb.
Музыка сверххолодных атомов
Американские ученые из Университета Дьюка экспериментально наблюдали сверхтекучесть вырожденного квантового газа, образованного атомами с полуцелыми спинами. Они работали с резонансным конденсатом, созданным из атомов лития-6. Именно эту новую форму квантового конденсата несколько месяцев назад впервые получила группа Деборы Джин.
Впервые удалось получить "стадо" из частиц-индивидуалистов
Американские ученые сообщили о том, что им впервые удалось наблюдать образование так называемого "фермионного конденсата", составленного из пар атомов в охлажденном газе. В течение ряда лет существовало мнение о родственности явлений сверхпроводимости (с которой связаны фермионы) и бозе-конденсации. Теперь это может помочь в создании сверхпроводящих материалов, имеющих самое широкое практическое применение.
В лаборатории получено принципиально новое - "супертвердое" - состояние вещества
Физики из Пенсильванского университета получили принципиально новое - "супертвердое" - состояние вещества путем охлаждения гелия-4 до ультрахолодных температур. Супертвердое тело ведет себя подобно сверхтекучей жидкости (которая течет без сопротивления), но имеет все характеристики кристаллических веществ. Это означает, что теперь можно наблюдать конденсацию Бозе-Эйнштейна не только в газах и жидкостях, но и в твердых телах.
В "темном свете" обнаружены оптические вихри и скрытые цвета
Физики из Университета Глазго впервые наблюдали скрытые цвета, которые, как недавно было предсказано, должны существовать в "темном свете". Феномен темного света тесно связан с областями пространства, известными как "фазовые дислокации" или сингулярности, которые изучаются в рамках сингулярной оптики. Кроме всего прочего, подобные эффекты могут применяться для того, чтобы заманить в ловушку и вращать микрообъекты в своеобразном "оптическом пинцете".
В эксперименте впервые наблюдался обратный эффект Доплера
Существование предсказанного еще в 40-х годах прошлого века так называемого обратного доплеровского эффекта было впервые подтверждено экспериментально. Британские исследователи признают, что их результаты в какой-то мере противоречат обычному здравому смыслу, однако утверждают, что все это может найти реальное применение в медицинских источниках излучения и в телекоммуникационной технике.
Получен рекордный ультрахолодный "атомный снежок"
2500 атомов натрия охладили до половины миллиардной части градуса выше абсолютного нуля - температуры, при которой колебания атомов почти полностью замирают. В результате получается ни много ни мало как принципиально новое, пятое состояние вещества - так называемый конденсат Бозе - Эйнштейна.
Американские физики спасли теорию Эйнштейна: информация действительно не может передаваться быстрее света
Группа американских физиков, не щадя своего времени и средств, помогла торжеству здравого смысла: они доказали, что следствие не может предшествовать своей причине. Эксперименты подтвердили, что недавнее сенсационное исследование, согласно которому свет, казалось, распространялся со скоростью, превышающей его же собственную скорость в вакууме, не противоречит основополагающему для физики понятию причинно-следственной связи.
Физики, возможно, наблюдали магнитные монополи
Поль Дирак в 1931 году выдвинул гипотезу, согласно которой в природе должны существовать некие экзотические частицы, являющиеся переносчиками изолированных "магнитных зарядов" - магнитные монополи. Но до сих пор все попытки обнаружить в эксперименте эти неуловимые частицы были безуспешными. Однако теперь группа физиков из Японии, Китая и Швейцарии утверждает, что им все-таки удалось найти косвенное свидетельство существования таких монополей Дирака.
Мезоны устраивают "похороны" классической физике
Хорошо известные в квантовой механике неравенства Белла впервые были проверены в эксперименте с участием высокоэнергетичных частиц в лаборатории KEK в Японии. Причем именно нарушение этих знаменитых неравенств и является серьезным аргументом в пользу истинности современного понимания квантовой теории и позволяет "похоронить" так называемые "теории скрытых параметров", в определенном смысле привязанные к классической физике.
Силу, возникающую из пустоты, приспособят к чему-нибудь путному
Генрих Казимир еще в 1948 году предложил эксперимент, который мог бы подтвердить квантовую теорию физического вакуума (то, что вакуум на самом деле не пуст, а заполнен то и дело виртуально возникающими и исчезающими парами частиц и античастиц). Теперь американские исследователи сумели проверить этот эффект с точностью до 0,5 %. Выяснилось, что эффект Казимира действительно должен серьезно влиять на наноразмерные устройства.
Физики надеются обнаружить изменение фундаментальных констант со временем
Две группы физиков на протяжении последних лет провели целый ряд аккуратных экспериментов в надежде обнаружить непостоянство природных констант, до сих пор считавшихся не изменяющимися со временем. До настоящего момента данные на эту тему добывались астрофизическими методами и указывали на возможность подобных вариаций.
Экспериментаторы ищут новые силы, предсказанные теориями суперструн
Самый чувствительный на настоящее время эксперимент по оценке гравитационного взаимодействия на сверхмалых расстояниях не дал новых козырей в руки сторонников теории суперструн. Но, несмотря на все это, идеи дополнительных измерений становятся необычайно популярными в связи с кризисом стандартных физических моделей, не способных объяснить новые наблюдения - ускоренно расширяющейся Вселенной, в которой царит темная энергия.
Super-WIMPs: темная материя может оказаться необнаружимой в принципе
90 % всей материи Вселенной не просто скрывается в виде "не испускающего свет" вещества, а содержится в форме частиц, названных super-WIMPs (сверхслабо- взаимодействующие массивные частицы), перед которыми, в отличие от "просто" WIMPs, совершенно бессильны все известные способы обнаружения темного вещества.
Большой взрыв руками физиков-ядерщиков: подтверждено получение кварк-глюонной плазмы
Недавние контрольные эксперименты добавили уверенности "творцам Большого взрыва" из Брукхэвена: похоже, им действительно удалось получить кварк-глюонную плазму - то есть материю, находящуюся в принципиально новом состоянии. Согласно современным теориям, кварк-глюонная плазма существовала только в первые 10-5 с после Большого взрыва. Когда-то предрекали, что подобные эксперименты могут привести чуть ли не к концу всей нашей Вселенной или, по меньшей мере, к формированию микроскопической черной дыры, которая затем затянет внутрь себя все, до чего сможет дотянуться.
Новости по теме
