Как учёные ЦЕРН будут искать "новую физику"

Андрей Голутвин, руководитель коллаборации SHiP в ЦЕРН, и его коллега Джованни де Леллис рассказали о том, как российские и европейские физики будут искать следы частиц, не вписывающихся в Стандартную модель физики, и объяснили, почему ласка-"диверсант" могла поставить всю работу коллайдера под угрозу.

В начале октября в НИТУ "МИСиС" состоялась встреча представителей ЦЕРН, участников коллаборации SHiP, возглавляемой Андреем Голутвиным с 2014 года, руководства российского вуза и ряда итальянских исследовательских и образовательных организаций. На этой встрече было подписано соглашение, в соответствии с которым НИТУ  "МИСиС" стал полноправным участником коллабораций SHiP и LHCb.

Главная цель этого коллектива ученых — поиск частиц, не предсказываемых Стандартной моделью физики в продуктах столкновения протонов, разгоняемых синхротроном SPS, "сердцем" Большого адронного коллайдера, и специальной мишени из молибдена и вольфрама.

Эти столкновения, по словам физиков, будут порождать огромные количества очарованных мезонов, чьи распады, как считают некоторые исследователи, должны приводить к рождению новых частиц, выходящих за пределы Стандартной модели. Одним из кандидатов на их роль являются так называемые стерильные нейтрино — абсолютно нейтральные частицы, обладающие массой порядка массы протона и взаимодействующие с "обычной" материей чрезвычайно слабо.

По текущим планам SHiP и ЦЕРН, первые прототипы детектора и мишеней будут готовы к 2019 году, а первые данные проект начнет получать в 2026 году, когда завершится процедура обновления БАК после его третьего длительного "отпуска".

Профессор Голутвин и Джованни де Леллис, руководитель коллаборации OPERA в ЦЕРН и один из ключевых участников SHiP, рассказали РИА Новости о том, как этот проект поможет физикам "убить трех зайцев сразу" и выйти на следы "новой физики".

—  Андрей, недавно ваши коллеги на LHCb нашли первые признаки того, что антиматерия и материя различаются по своим свойствам. Получили ли вы подтверждение этого открытия и стоит ли ожидать, что оно окончательно раскроет тайну того, почему  антиматерии почти нет во Вселенной? 

— Вероятно, вы говорите об обнаружении нарушения СР-симметрии в распадах барионов. Это действительно интересный результат, но он полностью объясним в рамках Стандартной Модели, и я бы не стал связывать этот результат с объяснением загадок Вселенной.

На самом деле есть гораздо более интригующие результаты — недавно коллаборации LHCb удалось найти следы того, что при распадах B-мезонов нарушается так называемая  универсальность лептонных взаимодействий. Это один из ключевых пунктов Стандартной модели физики, постулирующий, что все виды лептонов, к числу которых относятся электроны и его более тяжелые собратья, мюоны и тау-лептоны, должны взаимодействовать с окружающим миром одинаково.

Сегодня мы, как и многие другие физики, пытаемся найти следы нарушений этой универсальности уже много лет, наблюдая за распадами B-мезонов, а также мюонов и тау-лептонов. И да, в последние годы мы нашли намеки на то, что подобные нарушения существуют в двух классах распадов b-кварков.

В первом случае речь идет о распаде b-кварка на c-кварк и лептоны. LHCb недавно удалось измерить то, как часто возникают мюоны и тау-лептоны в ходе подобных распадов, и эти измерения показывают, что экспериментальные данные сильно расходятся с предсказаниями Стандартной модели. Более того, подобные результаты были получены не только на LHCb, но и на детекторах Belle и BaBar.

Еще одна аномалия была обнаружена при изучении распадов b-кварков на s-кварки и пары лептонов и антилептонов. В данном случае мы наблюдали за формированием пар мюонов-антимюонов и  электронов-антиэлектронов. И опять же в данном случае мы нашли значительные отклонения от Стандартной модели.

Это, конечно же, пока нельзя назвать открытием "новой физики". Нам нужно накопить еще больше данных и повысить точность измерений для того, чтобы достичь отметки в пять сигма и избежать повторения ситуации, аналогичной прошлогоднему "открытию" сверхтяжелых частиц с массой в 750 ГэВ, следы которых "растворились" в ходе последующих наблюдений.

Поэтому, как мне кажется, нужно дождаться завершения текущей сессии работы БАК, которая закончится в следующем году, проанализировать новый набор данных и только после этого мы сможем понять, настоящие ли это аномалии или нет.

Кроме того, мы с большим нетерпением ожидаем запуска "фабрики" B-частиц в японском центре КЕК  (Цукуба), где  детектор BELLE-2 поможет нам проверить предсказания результатов LHCb. Этот проект наберет также необходимое количество данных к 2023 году и поможет проверить, есть ли аномалии в распадах тау-лептонов с нарушением лептонного числа.

Мы же, в свою очередь, сейчас обсуждаем возможность добавления дополнительного небольшого детектора в проект SHiP, который  помог нам решить эту задачу.

— Джованни, где, по-вашему, может еще скрываться "новая физика", найдем ли мы ее в осцилляциях нейтрино или в каких-то других их свойствах?

— Уже сейчас можно сказать, что нечто подобное мы уже нашли — сам факт того, что нейтрино могут менять свой тип, указывает на существование "новой физики", поскольку, в соответствии со Стандартной моделью, нейтрино не должны обладать массой и способностью к подобным превращениям.

Мы до сих пор не понимаем, как можно объяснить ненулевую массу нейтрино и почему она является столь небольшой. Если масса нейтрино объясняется теми же механизмами, которые задают массу всех остальных элементарных частиц, то мы не можем объяснить, почему эти частицы в миллионы раз легче электрона и других частиц, руководствуясь принципами Стандартной модели.

Все это уже сейчас указывает на то, что масса нейтрино может определяться какими-то вещами, которые лежат за ее пределами, и поэтому наши наблюдения за осцилляциями нейтрино, которые мы вели в рамках проекта OPERA, являются очень серьезными намеками на то, что "новая физика" действительно существует.

Главной целью проекта SHiP будет поиск сверхтяжелых версий этих частиц, так называемых стерильных нейтрино, чье открытие позволит объяснить эту загадку с минимальными модификациями Стандартной модели. Подобные нейтрино будут распадаться очень редко, и мы надеемся, что удастся увидеть следы этих распадов, использовать их для вычисления массы стерильных нейтрино и их "обычных" собратьев.

Их открытие и изучение к тому же поможет нам решить две другие важнейшие проблемы: почему существует темная материя и почему в нашей Вселенной почти нет антиматерии. Поэтому можно говорить, что данный проект поможет нам убить сразу трех физических "зайцев".

— В прошлом году произошел забавный случай, связанный с БАК: куница-"диверсант" попыталась перегрызть силовой кабель и вывела ускоритель из строя на неделю. Как такое могло произойти?

— На самом деле эта проблема не уникальна для коллайдера и ЦЕРН. Я живу в окрестностях Женевы, и местная природа просто кишит ласками, куницами и другими мелкими хищниками, которые создают массу проблем местным жителям.

Как такое могло произойти? Нужно понимать, что ускоритель частиц является сложнейшей и гигантской по размерам конструкцией, состоящей из бесчисленного множества компонентов. За всем сразу невозможно уследить, поэтому, к сожалению, и происходят подобные инциденты, которые, мы надеемся, больше не повторятся.

— LHCb помог обнаружить и подтвердить существование тетракварков, пентакварка и других экзотических частиц. Ожидаете ли вы, что существуют частицы, состоящие из еще большего числа кварков?

— Никаких фундаментальных ограничений на число кварков в частицах, насколько мы знаем, не существует, поэтому в теории возможно существование частиц с еще большим числом кварков.

С другой стороны, большая часть частиц, которые мы открыли за последние полвека, состоят из двух или трех кварков. Это заставляло нас считать, что вся материя организована подобным образом. Сейчас мы понимаем, что это не так и что частицы могут быть устроены совершенно иначе.

Единственным ограничением в этом отношении, как говорит нам теория квантовой хромодинамики, является то, что любая комбинация кварков в подобных экзотических частицах должна иметь белый цвет. Если это условие выполняется, то в частице может в принципе содержаться больше, чем три кварка. 

С другой стороны, вероятность их появления резко уменьшается по мере увеличения числа кварков, что сделает их поиски и обнаружение очень сложной задачей. Сейчас нас интересует другой фундаментальный вопрос: как именно взаимодействуют кварки внутри тетракварков и пентакварков, похожи ли они на молекулы, состоящие из нескольких "атомов", или же являются единой структурой.

Пока мы не можем найти ответ на этот вопрос, но надеемся, что в ближайшие годы нам удастся раскрыть эту тайну. LHCb является идеальной площадкой для изучения этих частиц, так как он приспособлен наблюдать за частицами подобной массы, в отличие от детекторов ATLAS и CMS, предназначенных для поисков гораздо более тяжелых объектов. Поэтому я искренне верю, что LHCb ожидает яркое будущее.

— Сможет ли SHiP проверить удивительные заявления о наличии некой "пятой силы природы", о которой говорили венгерские физики в мае прошлого года, или какие-то другие бозоны, о существовании которых мы пока не знаем?

— Да, мы очень надеемся на это! Наш новый проект предназначен для поиска подобных новых частиц и переносчиков фундаментальных взаимодействий, о существовании которых мы пока не знаем.

Существует целый ряд теоретических моделей, описывающих существование частиц, не взаимодействующих друг с другом при помощи четырех типов бозонов, о которых нам уже знаем, и мы планируем проверить, существуют ли и другие переносчики взаимодействий, такие как "темные фотоны", "темные" версии скалярных бозонов, стерильные нейтрино и другие неизвестные нам вещи.

SHiP, как мы надеемся, найдет подобные переносчики взаимодействий или поставит серьезные ограничения на их существование, и мы сможем использовать их для изучения "скрытого сектора" частиц, к которому нельзя подобраться иначе. 

Для того чтобы мы могли расширить Стандартную модель, нужны вещественные доказательства того, что она нарушается, и мы надеемся, что удастся их найти и понять, какие теоретические модели ближе к истине, а какие, например теории суперсимметрии, к сожалению, ошибочны.

Физика сегодня становится больше экспериментальной, нежели теоретической наукой, и нам приходится искать следы "новой физики" везде, где подобные поиски можно вести.