Эксперименты венгерских атомщиков дают основания предполагать о наличии пятого фундаментального взаимодействия

18 мая 2017
Модель ускорителя, использовавшегося для бомбардировки лития в ключевом эксперименте. Находится на входе в Институт ядерных исследований в Венгерской академии наук

Стандартная модель физики элементарных частиц – частицы и их взаимодействия, описывающие всё, что мы когда-либо создали или столкнули в лаборатории – удивительно хорошо справляются с предсказанием всего, что видно в наших экспериментах. От материи до антиматерии, от синтеза до расщепления, от безмассовых до самых тяжёлых частиц – эти фундаментальные правила прошли все экспериментальные проверки. Но возможно, в следах радиоактивного распада скрывается неожиданное явление.

Новости по поводу открытия пятого взаимодействия периодически широко освещаются. Мне было бы интересно узнать вашу точку зрения по этому поводу. Если вы встречали сообщения об открытии пятого взаимодействия, то эксперимент, о котором идёт речь, основан на чрезвычайно нестабильном изотопе: бериллий-8. 

Если говорить о составляющей нас материи, то самой важной частью головоломки, вероятно, будет этот изотоп. Наше Солнце, и почти все звёзды, получают энергию, синтезируя гелий из водорода, в частности – гелий-4, с двумя протонами и двумя нейтронами. На поздних стадиях жизни ядро Солнца, заполненное гелием, будет сжиматься и разогреваться, и пытаться создавать ещё более тяжёлые элементы. Если соединить два ядра гелия-4, можно получить ядро с четырьмя протонами и четырьмя нейтронами: бериллий-8. Единственная проблема состоит в чрезвычайной нестабильности бериллия-8, который через 10-17с распадается обратно на два гелия-4. Только в ядрах красных гигантов плотность материи достаточно высока для того, чтобы можно было вовремя подогнать третье ядро гелия-4 и создать углерод-12, и успешно строить всё более тяжёлые элементы.

А иначе, как во всех лабораторных экспериментах, бериллий-8 просто распадается обратно на два ядра гелия. Но наши экспериментальные технологии весьма хитроумны, и даже в короткие моменты его жизни мы можем не только создать бериллий-8 другим путём (бомбардируя литий-7 протонами), но и создать его в возбуждённом состоянии, в котором перед распадом он испустит высокоэнергетический фотон. Этот фотон будет обладать достаточной энергией, чтобы суметь распасться на пару электрон/позитрон – что происходит со всеми фотонами достаточно больших энергий. Измеряя относительный угол между электроном и позитроном, вы ожидаете, что он будет тем меньше, чем больше была энергия фотона. Это следует из законов сохранения энергии и импульса, с примесью небольших случайных величин, зависящих от ориентации распада.

Но венгерская команда под началом Атиллы Краснахоркай обнаружила вовсе не это. С увеличением угла доля электронов и позитронов должна уменьшаться. Но учёные обнаружили неожиданное относительное увеличение при угле разлёта в 140º, что может означать многое. К примеру:

  • Ошибка в эксперименте, когда измеряется не сигнал, а что-то другое.
  • Ошибка анализа, когда применяют неправильный срез (вы решаете, какие данные стоит оставить, а какая информация будет бесполезным загрязняющим шумом, от которого необходимо избавиться).
  • Если результат надёжный, это может говорить о существовании новой частицы: либо композитной, состоящей из частиц стандартной модели, либо, что интереснее, полностью новой, фундаментальной.

Данные кажутся весьма неплохими. Конечно, та же венгерская команда объявляла об открытии «неровностей» в распадах возбуждённого бериллия-8, но не с такой степенью значимости – 1 шанс из 1011 на то, что это статистическая случайность (6,8-σ) – и не с таким количеством событий: сотни событий во многих каналах поверх фона. Только массивная нестабильная частица распадалась бы с другим углом разлёта, нежели безмассовые частицы (фотоны), ожидаемые в этом эксперименте – и это пока главное объяснение «неровности» графика на угле в 140º. Если это окажется правдой. Краснахоркай выражает большую уверенность в своём результате, измеренном при помощи оборудования, основательно обновлённого по сравнению с их предыдущими экспериментами.

Результат может и не оправдаться; возможно, его не получится воспроизвести; это может быть ошибкой эксперимента. Это лучшая часть, но и одновременно груз научной работы: даже самые надёжные и прорывные результате необходимо подтвердить независимо. Но если это новая частица, это может изменить всё. Энергия покоя частицы — 17 МэВ/c2 — весьма интересна. Её спин равен 1, что говорит о том, что это бозон (или нечто подобное). Она перемещается на достаточно большое расстояние для того, чтобы измерить её время жизни, 10-14 секунд – что говорит нам о том, что это слабый, а не электромагнитный, распад – то есть, это не связанное состояние лептонов. Это не может быть комбинация двух кварков, поскольку она слишком лёгкая – в ином случае она должна была бы быть раз в 10 тяжелее. Если это реальная частица, это, скорее всего, какой-то совершенно новый тип частиц, не входящий в Стандартную модель.

Такое объяснение подходит ко всему:

  • Оно привело бы к появлению именно такого угла разлёта (140º) продуктов распада, из-за отношения её массы покоя к массам электрона и позитрона, на которые она распадается.
  • Оно дало бы нам первый выход за пределы Стандартной модели, который, по нашему мнению, должен существовать, и который мы до сих пор не нашли.
  • В потенциале она могла бы даже объяснить аномальное значение магнитного момента мюона, более тяжёлого родственника электрона.

Но это только если частица реально существует. Результат в 6,8-σ был бы захватывающим в случае слепого анализа, но команда учёных специально искала частицу такого типа. В науке существует история обнаружений именно того, что искали учёные, даже когда на самом деле этого не существовало. Фокке де Боер – проводивший эти эксперименты до Краснахоркай – обнаружил такие частицы, но так и не смог подтвердить и воспроизвести свои результаты. 

Мы знаем, что за пределами Стандартной модели должна существовать новая фундаментальная физика, новые частицы и новые взаимодействия, и возможно, в этом эксперименте был обнаружен первый намёк на это. Но, отвечая на вопрос читателя, я одновременно и скептически отношусь к результатам, и могу представить себе, что они реальны. Таким же качеством отличались как открытие нейтрино, перемещавшегося быстрее света на OPERA, так и открытие бозона Хиггса в экспериментах CMS/ATLAS. Только время и дополнительные исследования определят, какого типа окажется этот новый результат, в потенциале способный оказаться частицей тёмной материи.