2013 жылы элементар бөлшектердің физикасы • Игорь Иванов • «Элементтер» бойынша ғылым жаңалықтары • Физика

2013 жылы элементар бөлшектер физикасы

Сурет. 1. Журнал редакторлары таңдаған кескіндерді жинақтау Физика Американдық физикалық қауымдастықтың журналдарындағы 2013 жылғы есте сақталатын жарияланымдардың іріктеуінен. Сурет physics.aps.org

Үлкен Адрон коллайдерінің бірінші кезеңі аяқталды және өткен жылы бөлшектер физикасы бойынша біраз уақыт қалды. 2012 жылмен бірге жүретін деректердің қызу талдауы қазіргі жағдайға және болашаққа арналған жоспарларға мұқият ойлану кезеңіне ауыстырылды. LHC жұмысының үзілуіне байланысты қарапайым бөлшектерді зерттейтін басқа эксперименттер 2013 жылы – үдеткіш, байқаушы және астрофизикалық зерттеулердің басында болды.

Соғысушыда қызықты болғаны не?

Қазіргі уақытта элементар бөлшектердің физикасына басты назар аударылады және таяу уақытта Үлкен Адрон коллайдерінен жаңа деректерге назар аударылады. 2012 жылы екі маңызды нәтиже болды: Хиггс бозоны және B ұзақ уақытқа күткен ультра-революциялық ыдыраудың алғашқы көрсеткіштерісЖаңа физикадағы көптеген теорияларды сынау үшін өте маңызды. Хиггс бозонының екі фотонға ыдырауы кейін теориялықтар әртүрлі жолмен түсіндіре бастаған стандартты модельден (SM) байқалады. Кесу BсСМ-мен келісілгенімен, бірақ әртүрлі теорияларға бөлме қалды. Әрине, басқа да жаңалықтар мен жаңа нәтижелер болды, бірақ стандартты модельден тыс елеулі құбылыстар табылған жоқ.

2013 жылы жоспарланған жаңарту үшін коллайдер тоқтатылды. Протондағы соқтығысулар туралы жаңа деректер жиналмады, сондықтан физиктер осы уақытқа жинақталған барлық статистиканы шапшаң талдай алмады. 2013 жылы эксперименталдық топтар әртүрлі процестерге бірнеше жүздеген осындай зерттеулерді басып шығарды және жариялады; олардың кейбіреулері LHC жаңалықтар арнасында сипатталған. Жылдың соңында коллокардың басты мақсаттарына қатысты жағдай келесідей сипатталуы мүмкін:

  • Хиггс бозоны бар сурет көбірек пессимистік болып шығады: жаңартылған өлшемдер Стандартты модельге сәйкес келеді. Наурызда деректерді толығымен қайта құрып, олардың интерпретациясын екі рет тексеріп, CMS-дің ынтымақтастығы бозонның ыдырауы туралы екі фотонға қатысты қорытындыларын өзгертті. Егер 2012 жылы ол ATLAS әпкесінің ынтымақтастығымен бірлесіп стандартты болжаумен салыстырғанда осы ыдыраудың айтарлықтай өсуін көрсеткен болса, қазір ол әлсіреген ыдырауды көреді.Осылайша, 2012 жылы физиктердің қиялын жандандыра түсетін екі фотонды ыдыраудың жұмбағы кенеттен жоғалып кетті. Егер соңында коллайдер кейбір ауытқуларды анықтаса, бұл өте аз болады. Жылдың соңында Хиггс бозонының заттың бөлшектеріне ыдырауы туралы деректер келтірілген (2-сурет); мұнда да бәрі өте стандартты болды.

    Сурет. 2 Хиггс бозонының туылуына және ыдырауына үміткер – ATLAS детекторымен тіркелген екі тег лептонға реконструкция. Хиггс бозонының заттың бөлшектеріне осындай ыдырауы талдау ашық бозонның стандарттылығын растайды. Twiki.cern.ch сайтынан сурет

  • Кесу Bсмюон-анти-мюон жұпындағы аяқ-қолы нақтыланып, толық ашылған категорияға ауыстырылды. Ол сондай-ақ стандартты үлгісімен келіседі. Алайда, өлшеу қателігі әлі де 25% құрайды, сондықтан айтарлықтай ауытқуларды анықтау мүмкіндігі бар.
  • Суперсимметрияны ондаған түрлі әдіспен іздеу теріс нәтиже берді. Бұл, әрине, суперсимметрияны идея ретінде жауып қойған жоқ, бірақ, кем дегенде, көптеген физиктердің үміттерін салыстырмалышағын энергия. Енді теориялықтар осы теорияға деген көзқарастарын және болашақта одан күтуге мәжбүр болады.
  • Суперсимметрия тақырыбын жалғастыра отырып, 2013 жылдың қорытындысы бойынша, бірақ қазірдің өзінде теориялық бөлшектік физикада жалғасып келе жатқан тұжырымдаманы бір немесе екі жыл бұрын теоретиктерге көрінгендей, бұл теріс деректер суперсимметрияға зиян келтірмейді деп түсіну керек. Суперсимметриялық үлгілердің қарапайым сорттарын ағымдағы деректермен оңай салыстыруға болады. Теориялық тұрғыдан алғанда бұл модельдердің осындай «созылуына» қаншалықты тән теориялықтар көбірек назар аудара бастағаны туралы тағы бір мәселе.

Әділ болу үшін, Үлкен Адрон коллайдерінде алынған барлық нәтижелер стандартты моделмен толық келіспейтінін айта кету керек; Белгілі бір тақырып бойынша мысалдарға коллайдер ғылыми нәтижелерінің бетінде танысуға болады. Дегенмен, ауытқу статистикалық маңызды емес.

Жоғарыда сипатталған барлық нәтижелер, әрине, коллайдтың іске қосылуымен бірге жүретін ғылыми толқуды қатты сындырды. Алайда, олар бұл коллайдер енді ештеңеге сай болмайды дегенді білдірмейді.Қарама-қарсы – 2015-2017 жылдары өтетін жаңа жұмыс сессиясы жаңа, тіпті одан да ақылға қонымды, күтуге байланысты. Біріншіден, соқтығысудың энергиясы ұлғаятын болады, яғни қазіргі таңда өтпеген реакциялар мүмкін болады. Екіншіден, коллайдтың жылтырлығы бірнеше есе артады. Енді физиктер енді «белгісізге сіңіп кетеді», олар қандай өлшеулерді және қандай дәлдікпен олар кез келген жағдайда орындауға болатындығын анық біледі – осы өлшемдерде де күтпеген жағдай болуы мүмкін. Тіпті, егер осы екінші жұмыс кезеңі ешқандай жаңалық әкелмесе де, бірнеше жылдан кейін одан да жоғары жарқырау кезіндегі жұмыстың келесі кезеңі жоспарланған. Қазіргі кездегі статистика ақпараттық физиктердің 10 жыл ішінде ғана санының пайызы ғана екендігін есте ұстаған жөн, сондықтан тұжырымға келу үшін ерте.

Үлкен адрондық коллайдерден тыс

Қарапайым бөлшектердің физикасы тек Үлкен Адрон коллайдерінде ғана зерттеледі; Әлемде бірнеше ондаған басқа үдеткіш эксперименттері бар. Көп функциялы LHC-тан айырмашылығы олар өздерінің кейде арнайы, тапсырмаларына арналған және олар үлкен энергиямен мақтана алмайды, бірақ олар осы тапсырмаларды шеше алады.Бұл, мысалы, төменгі энергияларға арналған коллайдерлер немесе қарапайым бөлшектердің қасиеттерін мұқият зерттеп, өте сирек кездесетін құбылыстарды тіркеуге тырысатын өте ерекше эксперименттер.

Өткен жылы адрондардың қасиеттері туралы қызықты нәтиже BESIII қытай BEPC үдеткіші және KLEK жапондық акселератор орталығында Белл ынтымақтастықта алынған. Екі эксперимент π бөлшектердің жиынтығын тудыру үрдісін зерттеді+πJ-ψ электрон-позитрондардағы соқтығысуларда және осыған байланысты жаңа төрт кварк мемлекетін тапты Z.с(3900) (3-суретті қараңыз).

Сурет. 3 Оқиғалардың жұптың инвариантты массасы бойынша бөлу+J / ψ (сол жақта: BESIII деректері оң жақта: Belle деректер). 3,9 ГэВ массасы бар айқын шыңы экзотикалық қасиеттері бар жаңа құрылымның бар екенін көрсетедіс(3900). Талқыланған мақалалардан алынған суреттер

Тұтастай алғанда, Z дәлелденген жоқс(3900) – бұл толық бөлшек; бұл жай ғана D-мезондардың жұптасқан өзара әрекеттесуі болуы мүмкін. Сондықтан экспериментаторлар өздерінің хабарламаларында сақтықпен айтады: экзотикалық қасиеттері бар жаңа құрылым анықталды. Бірақ егер бұл толыққанды бөлшектер болса, онда ол екі кварк пен екі антиквардан тұрады, ол бір біртұтас өзара күшті өзара байланысты болады.Мұндай мульти-кварк бөлшектер – адрондар отбасында өте сирек құбылыс. Әдетте, барлық мезондар кварк пен антикваркадан тұрады, және табиғат табиғаттың күрделендірілуіне жол бермейтінін жақында ғана білмеді. Төрт кварк мемлекетінен алғашқы мысал 10 жыл бұрын табылды, сол уақыттан бері экзотикалық адрондардың отбасы өте қалаусыз толтырылды. Жаңа бөлшек кем дегенде төрт кварктің болуын толық сенімді түрде анықтайды. Оның массасы мен ыдырауы бойынша, ол карбониумның басқа күйлеріне ұқсас c-анти-в-жұпты қамтуы керек. Бірақ мұндай жұп электрлік бейтарап болады, ал Z.с(3900) зарядталған; онда басқа кварктар бар деген сөз.

Нәзік қасиеттер мен өте сирек кездесетін процестерді іздеу 2013 жылы өте маңызды нәтижелермен белгіленді. Біріншіден, ACME іздеу экспериментінің жаңа буынына ие болды электрлік диполь сәті (ЭДМ) электроны. Стандартты модельдің шеңберінде электронның бұл сипаттамасы өте аз, қазіргі эксперименттердің қателіктерінен әлдеқайда аз болуы керек, сондықтан оны өлшеуге барлық әрекеттер нөлдік нәтиже берді.Дегенмен, жаңа физиканың кейбір нұсқауларында ЭДМ электроны айтарлықтай жақсарады, ал егер болса, іздестіру жақында табысқа жету керек. Демек, эксперименттердің міндеті – нөлден тыс ЭДМ-нің әлсіз әсерін ұстау үшін дәлдікті жақсарту. ACME эксперименті 2000-шы жылдардың басынан бастап алғаш рет өлшеу қателігін күрт төмендетті, бірақ нәтиже әлі нөлге тең болды. Алайда, бұл тек алғашқы жұтылмайды; Алдағы жылдары ACME-де де, басқа эксперименттерде де дәлдікпен әрі қарай жақсаруды күтеміз.

Сурет. 4 Мионның электронға ыдырауы мен MEG детекторындағы фотонды ұқсас оқиғалардың схемалық көрінісі. Meg.web.psi.ch сайтынан сурет

Екіншіден, MEG ынтымақтастықты өте сирек іздеуге арналған жаңа нәтижелер туралы хабарлады Мионның электронға және фотондыға ыдырауы (Cурет 4). Стандартты модельдің шеңберінде бұл ыдырау ықтималдығы 10-нан кем болмауы мүмкін-50сондықтан кез-келген сенімді түрде жазылған сан жаңа физиканы көрсетеді. Өзінің мақаласында МЕГ ынтымақтастық бес жыл бұрын бес рет нәтижесін жақсартты. Қалаған ыдырауы әлі де көрінбейді, бірақ қазір оның ықтималдығы жоғарғы шегі 5.7 · 10-13. Биылғы жылы осы экспериментті модернизациялау бойынша жоба ұсынылды, ол бұл шектеулерді шамалы тәртібімен жақсартады.

Бөлшектер физикасы мен астрофизиканың қиылысындағы нәтижелер

Сурет. 5 Журналдың мұқабасы Ғылым 2013 жылдың 22 қарашасында IceCube детекторы тіркелген 250 ТэВ энергиясымен нейтринодан шығатын жауаптың бейнесі бар. Сурет sciencemag.org

Қарапайым бөлшектердің қасиеттері оларды лабораторияда жаңғырту арқылы ғана емес, сонымен қатар ғарыштан келген бөлшектердің ағындарын қадағалау арқылы зерттелуі мүмкін. Әрине, бұл жағдайлар лабораториядағыдай «стерильді» емес, бірақ Әлемнің бізде әлі де қол жетімді емес энергияға бөлшектерді жеделдете алады.

2013 жылдың көрнекті нәтижесі бірінші болды ультраэнергетикалық нейтринді тіркеу IceCube нейтрино телескопында (5-сурет). Бұл текше километр, жеңіл сезімтал сенсорлар желісі, Антарктикалық мұздың қалыңдығына батып, жоғары энергиялық бөлшектермен жасалынған кең душтан жарықтың сақталуын қадағалайды. Сенсорлар жинаған жарық саны босатылған энергия туралы хабарлайды және олардың әрқайсысының нақты уақыты бөлшектің таралу үлгісін қалпына келтіреді және сол себепті нейтриноның бағытын анықтайды.

Осы уақытқа дейін IceCube тек орташа қуатты нейтринді ғана тіркеді, бұл ғарыштық сәулелердің жоғары энергиялы бөлшектерімен соқтығысқанда, Жер атмосферасында пайда болған нейтринодан туындауы мүмкін. Дегенмен, IceCube-мен бірлесіп жұмыс істейтін IceCube-тің бірлескен жұмыстары, осы жылы жарияланған екі мақалада (IceCube және IceCube бірлескен жұмысымен бірге бірінші Neutrinos MG Aartsen және IceCube детекторында экстремалды нейтрино үшін жоғары дәлелдер) өте жоғары нейтрино энергиялары бар оқиғалардың саны. Екі жағдайда нейтрино энергиясы 1 ПЭВ-нан (петеэлектронвольт) асып түсті, бұл Үлкен Адрон коллайдерінде протон энергиясынан 250 есе артық!

Атмосфералық көзге осындай жоғары энергиялық нейтрино санының көп болуы мүмкін болмайды. Осылайша, IceCube детекторы алғаш рет терең кеңістікте келген және қуатты шоғырлануы бар процестер туралы ақпаратты тасымалдайтын нақты ультра-энергетикалық ғарыштық нейтринодарды ұстады. Нейтриндердің барлық тосқауылдар арқылы ұшып, галактиканың магнит өрісіне кедергі келтірмейтіндігіне байланысты олар «нейтрино көруді» ашатын осындай процестерге жаңа көзқараспен қарауға мүмкіндік береді.

Суретте. 6-суретте IceCube детекторы тіркелген 30 TeV-ден жоғары энергиялар бар барлық 28 жоғары энергиялы нейтриндердің аспанды бөлуі көрсетілген.Бір қызығы, бес оқиғалар ықшам кластерді қалыптастырады және бұл олардың бәрі бірдей біреуі өте қуатты ғарыштық нейтрино көзі. Өкінішке орай, статистикалық тестілеу әлі күнге дейін бұл тұжырымның негізсіз екендігін көрсетеді – мұндай кластеризация кездейсоқ пайда болуы мүмкін. Бірақ статистика бірнеше есе өскен кезде жағдай одан да қызықты болуы мүмкін.

Сурет. 6 IceCube детекторымен жазылған 30 TeV-ден жоғары энергиялармен 28 нейтрино оқиғасының скалалық таралуы. Түс бойынша қалпына келтірілген нейтрино келу бағыты қателіктер шегінде көрсетіледі; бозғылт түсті бұл нейтрино оқиғасы атмосфералық нейтринодан нашар бөлінгенін көрсетеді, жарқын түс нейтрино оқиғасы ғарыштық шығу тегі болатынына кепілдік береді. Оқиғалар аспан картасында галактикалық координаттарда жазылған. Сурет sciencemag.org

Өткен жылы жаңа эксперименттік нәтижелер алынды қара материя бөлшектерін тікелей іздеу. Ең маңызды жаңалық қазан айында шығарылған LUX экспериментінің алғашқы нәтижелері болды.Бұл жер асты сұйық ксенон детекторы, жақын арада осы жарыста бір жарым тонна жұмыс массасы бар жаңа буын детекторларының алғашқы жұтқысы. LUX детекторы қараңғы материя бөлшектерінен туындаған қақтығыстардың пайдасына сенімді дәлелдерді көрмеді және осылайша осы бөлшектердің жұмыс затымен соқтығысуы үшін көлденең қимаға қатаң шектеу қойды.

Бірақ бұл жерде қызықты нәрсе тіпті шектеу емес, бірақ бұл деректердің есептерге қарсы келуі байқау (немесе, керісінше, CDMS экспериментіндегі қараңғы материя бөлшектерінің болуын көрсететін). CDMS жұмысының жаңа кезеңінің ең соңғы нәтижелері желтоқсанда жарияланды. Ынтымақтастық тағы да 9 ГэВ массасы бар қараңғы бөлшектер бөлшектерінің көрінісі ретінде түсіндірілуі мүмкін кейбір сигналды көреді деп талап етеді. Бұл қайшы нәтижелерді бір-бірімен қалай үйлестіру түсініксіз.

Жерге негізделген детекторлар жоғары ену қабілеті бар бөлшектерді (нейтрино, қара материя) тіркеуге тырысса, спутниктік бақылау эксперименттері зарядталған бөлшектердің ғарыштық сәулелерін, ең алдымен, протондар, жеңіл ядролар, электрондар және олардың антипартиктері зерттейді.Физиктерге ерекше қызығушылық – 100 ГэВ және одан жоғары тәртіптегі энергияларға ие позитрондарға байланысты жұмбақтар, олар бірнеше жыл бұрын көптеген шуды туғызды. Биылғы жылы жаңа үлкен деректердің алғашқы деректері AMS-02 спутниктік детекторы. Қысқасы, AMS-02 бұрынғы тәжірибелердің кейбір әдеттерін бақылаған энергетикалық аймақты мұқият өлшеді және бұл әдеттер расталды. Дегенмен, AMS-02 энергетикалық шкала бойынша одан да көп өсуге және осылайша, жаңа жаңалықтар жасауға мүмкіндік береді. Ынтымақтастық тек бұл талдауды бастайды. Сонымен қатар, теоретиктер ғарыштық позитрондардың құпияларын айналасында найзаларды сындырады.

Әлеуметтік маңызды оқиғалар

Бастапқы бөлшектердің физикасы биылғы жылы халықтың кеңінен естуін жалғастырды. Негізгі ақпарат, әрине, Физика бойынша Нобель сыйлығының лауреаты Франсуа Энглер мен Питер Хиггспен марапатталды. Бұл марапат жарты ғасыр бұрын өз жұмысымен белгіленді, ол қазіргі уақытта Хиггса механизмінің атауын алған маңызды феноменнің теориялық негіздерін қалады. Хиггс бозоны табылғаннан кейін, осы механизмнің эхо-бөліктері бір жыл бұрын CERN-да жарияланды, жүлдені беру мәселесі шешілді.

Дегенмен, өте көп қызығушылық тудырды, сонымен қатар, көптеген жауаптармен қоса, ресейлік кәсіпкер Юрий Милнердің құрған және қаржыландырған жаңа Фундаменталды физика жүлдесінің келесі сыйлығы да болды. Биылғы жылы осы марапаттың лауреаттары 2014 жылға жарияланды: Майкл Грин және Джон Шварц супертримдердің теориясын құруға және дамытуға қосқан үлесі үшін марапатқа ие болады.

Егер жалпы қоғамнан элементар бөлшектер әлемін зерттейтін физиктерге қайта оралсаңыз, онда олар үшін Snowmass 2013-нің іс-шарасы жақын арада бөлшектер физикасының мақсаттары мен міндеттерін жаңа көзқарас қалыптастыру мен қалыптастырудың ұзақ үрдісі болып табылады. Құрама Штаттардың рөліне ерекше назар аударылғанына қарамастан, бұл процестің басты нәтижесі – бөлшектер физикасының әртүрлі аспектілерінің егжей-тегжейлі шолуларының ұзақ тізімі – барлық зерттеушілер үшін пайдалы болады.

Көздер:
1) BESIII ынтымақтастық. Зарядталған Charmonium құрылымын бақылау+e → π+πJ / ψ vs = 4.26 GeV // Физика. Rev. Lett. 110, 252001 (2013); Мақала сондай-ақ электронды басып шығару архиві ретінде қол жетімді: 1303.5949.
2) Belle Collaboration. Зерттеу e+e → π+πJ / ψ және Беллендегі Charmonium-like мемлекетін қарастыру // Физика. Rev. Lett. 110, 252002 (2013); Мақала сондай-ақ электронды басып шығару архиві ретінде қол жетімді: 1304.0121.
3) ACME ынтымақтастық. Электронның магнит өрісінің тәртібі Ғылым (2013 ж.), 2013 жылдың 19 желтоқсанында алдын ала жариялау; Мақала сондай-ақ электронды басып шығару архиві ретінде қол жетімді: 1310.7534.
4) J. Adam және т.б. (MEG Ынтымақтастық). Μ бар болғанда жаңа шектеулер+ → eγ Decay // Физика. Rev. Lett. 110, 201801 (2013); Мақала электронды басып шығару архиві ретінде қол жетімді: 1303.0754.
5) М.Г.Аартсен және т.б. (IceCube Collaboration). IceCube бар PeV-Энергетикалық Нейтриносын алғаш байқау // Физика. Rev. Lett. 111, 021103 (2013); Мақала электронды басып шығару архиві ретінде қол жетімді: 1304.5356.
6) IceCube ынтымақтастығы. IceCube детекторындағы экстремалды-энергетикалық экстремалды нейтрино үшін дәлелдер // Ғылым 342, 1242856 (2013); Мақала электронды басып шығару архиві ретінде қол жетімді: 1311.5238.
7) D. Akerib және басқалар. Санфордтағы жерасты зерттеу мекемесінің алғашқы нәтижелері // e-print arXiv: 1310.8214.
8) R. Agnese және т.б. (CDMS ынтымақтастық). CDMS II силиконының детекторы Физика. Rev. Lett. 111, 251301 (2013); Мақала сондай-ақ электронды баспа архив ретінде қол жетімді: 1304.4279.
9) М. Агиляр және т.б. (AMS Collaboration). Халықаралық ғарыш станциясында магниттік спектрометрдің бірінші нәтижесі: 0,5-350 ГэВ // ғарыштық сәулелері Физика. Rev. Lett. 110, 141102 (2013).

Сондай-ақ, қараңыз:
1) Жылдың маңызды оқиғалары – 2013 жылы Америка физикалық қауымдастығының басылымдарында ең есте қаларлық нәтижелерді таңдау.
2) Үлкен адрондық коллайдер – «Элементтер» жобасы.
3) Соңғы 12 ай ішінде LHC нәтижелерін жариялау.
4) Хиггс бозон: болашақ жоспарлары мен жоспарлары, «Элементтер», 16.07.2012.
5) Хиггс бозонының заттардың бөлшектеріне ыдырауы оның «Стандарттар», 12.09.2013 ж.
6) ыдырау үшін CMS және LHCb нəтижелеріс → μ+μ Біріккен, «Элементтер», 29.07.2013.
7) LHC деректері бойынша суперсимметрия: келесіде не істеу керек, «Элементтер», 07.01.2013.
8) ACME экспериментінің алғашқы нәтижелері: электрондық электрлік дипольдік сәт әлі де нөлге тең, «Элементтер», 12/30/2013.
9) F. Halzen. IceCube-мен жоғары энергетикалық нейтриндерді байқау // SPIE Newsroom, 26 қараша 2013 жыл.
10) LUX эксперименті қара бөлшектердің бөлшектерін әлі анықтамады, «Элементтер», 10/31/2013.
11) R. F. Lang. Жоғарыдан төмен зат Физика 6, 136 (2013).
12) AMS-02 экспериментінің алғашқы нәтижелері қызықты, бірақ олар «Ұшақтар», 04.04.2013 сезімін тудырмады.
13) Физика бойынша Нобель сыйлығы – 2013, «Элементтер», 10.10.2013.
14) Snowmass-2013 ең ірі жиналысы, «Элементтер», 11/06/2013.
15) Физика бойынша негізгі жүлделер сайты.

Игорь Иванов


Like this post? Please share to your friends:
Leave a Reply

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: