Мир крошечного, квантового царства может иметь любимый вкус.
Конечно, мы не говорим о крошечных рожках для мороженого. Мир частиц разделен на три лагеря, которые называются «ароматизаторы» (не спрашивайте почему). Например, электроны представляют один аромат, и есть две другие частицы с почти идентичными свойствами, мюон и тау, которые имеют свои собственные ароматы. Мы давно подозревали - но не доказали - что все три вкуса должны быть в равных условиях.
Но, увы, годы экспериментов на коллайдере начинают наводить на мысль, что, возможно, не все даже ровно.
Результаты этих экспериментов все еще носят предварительный характер и недостаточно значительны, чтобы утверждать, что в Библии физики элементарных частиц обнаружена трещина, называемая Стандартной моделью. Однако, если результаты подтвердятся, это может открыть путь к пониманию всего - от темной материи до истоков вселенной. Вы знаете, основные нерешенные проблемы в современной физике.
Стандартные вкусы
Стандартная Модель физики элементарных частиц господствует, успешно преодолевая испытания из экспериментов по всему миру в течение десятилетий. Эта теория объединяет наше понимание трех из четырех фундаментальных сил вселенной - электромагнетизма, сильного ядерного и слабого ядерного - под единым квантовым знаменем. В целом, это самая проверенная теория во всей науке, способная объяснить широкий спектр фундаментальных взаимодействий.
Другими словами, вы просто не возитесь со стандартной моделью.
И все же мы знаем, что эта картина субатомного мира далека от совершенства. Просто чтобы назвать пару примеров, это не объясняет массы нейтрино и не дает нам подсказку о темной материи. Подавляющее большинство физиков считают, что существует еще одна, до сих пор неизвестная теория, которая охватывает все, что стандартная модель может объяснить, и то, что она не может.
Облом в том, что мы не знаем, как выглядит эта теория или какие прогнозы она может сделать. Поэтому мы не только не знаем полных ответов на жизнь, вселенную и все промежуточное, мы также не знаем, как получить эти ответы.
Чтобы найти намеки на «Лучшую теорию», исследователи охотятся за любыми несовершенствами или ложными предсказаниями Стандартной модели - трещина в этой теории может открыть дверь к чему-то большему.
Одно из многих предсказаний Стандартной модели касается природы лептонов, которые представляют собой крошечные, отдельные частицы, такие как электроны или кварки. Лептоны сгруппированы в три класса, известные как поколения или же ароматизаторы в зависимости от того, какой физик вы спрашиваете. Частицы с разными вкусовыми качествами будут обладать одинаковыми свойствами, за исключением разной массы. Например, электрон, мюон и тау-частица имеют одинаковый электрический заряд и спин, но мюон перевешивает электрон, а тау тем более - у них разные вкусы.
Согласно стандартной модели, эти три разновидности электрона должны вести себя одинаково. Фундаментальные взаимодействия должны производить каждый из них с равной вероятностью; природа просто не может отличить их друг от друга, поэтому на самом деле она не предпочитает один аромат другому.
Когда дело доходит до трех ароматов, природа использует неаполитанский подход: все они.
Прекрасный результат
Это все теория, и поэтому она должна быть проверена. За прошедшие годы были проведены различные эксперименты, подобные тем, которые проводились на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе и на установке BaBar, в которых фундаментальные частицы разбиваются вместе при массивных столкновениях. Получающиеся в результате этих столкновений частицы могут дать представление о том, как природа работает на самом глубоком из уровней. И некоторые из этих столкновений были разработаны, чтобы увидеть, нравится ли природе один аромат лептона над другими.
В частности, один вид частиц, называемый нижним кварком, действительно распадается на лептоны. Иногда это становится электроном. Иногда мюон. Иногда тау. Но несмотря ни на что, все три аромата имеют одинаковый шанс выхода из обломков.
Физикам удалось накопить сотни миллионов таких распадов нижних кварков, и несколько лет назад в данных появилось нечто странное: природа, казалось, предпочитала частицы тау в этих взаимодействиях немного больше, чем другие лептоны. Это было едва ли статистически значимо, поэтому было легко отмахнуться от этих результатов как от простой статистической случайности; возможно, нам просто не хватило столкновений, чтобы все выровнялось.
Но по прошествии нескольких лет результат, как отмечал физик Антонио Пич из Университета Валенсии в Испании, указывает на обзор этого исследования, опубликованного в базе данных препринтов arXiv в ноябре. Природа выглядит довольно упрямой, когда дело доходит до очевидного фаворитизма частицы тау. Результат до сих пор не окончательный, но его настойчивость на протяжении многих лет и в различных экспериментах превратила его в настоящего головореза.
Не очень стандартная модель
В стандартной модели различные ароматы лептонов получают свой… ну, аромат… благодаря их взаимодействию с бозоном Хиггса: чем больше аромат взаимодействует с хиггсом, тем больше его масса. Но в остальном природа не делает различий между ними, поэтому прогнозируется, что все вкусы должны проявляться одинаково во всех взаимодействиях.
Но если эти так называемые «вкусовые аномалии» действительно являются реальной особенностью нашей вселенной, а не просто какой-то ошибкой в сборе данных, то нам нужен какой-то способ объяснить, почему природа должна заботиться о тау-частице больше, чем электрон или мюон. Одна из возможностей заключается в том, что вокруг может летать более одного вида бозона Хиггса - один для обеспечения массы электрона и мюона, а другой, который особенно любит тау, позволяя ему чаще выходить из взаимодействий.
Другая возможность состоит в том, что есть дополнительные частицы, которые говорят с тау - частицы, которые мы еще не видели в экспериментах. Или, может быть, есть какая-то фундаментальная симметрия природы, которая проявляется только шепотом лептонных реакций - другими словами, какая-то новая сила природы, которая появляется только в этих неясных, редких взаимодействиях.
Пока мы не сделаем доказательную базу (сейчас статистическая значимость этой разницы составляет около 3 сигм, что составляет 99,3% вероятности того, что этот результат - просто случайность, тогда как «золотой стандарт» для физики элементарных частиц - 5 сигм, или 99,97%), мы не можем знать наверняка. Но если доказательства все больше сгущаются, мы могли бы потенциально использовать это новое понимание, чтобы найти новую физику за пределами Стандартной Модели, открывая возможность объяснения необъяснимого в настоящее время, такого как физика самой ранней вселенной или что бы там ни происходило, черт возьми с темной материей.
