Пока на Большом адронном коллайдере (LHC) готовятся к ремонту после крупной сентябрьской аварии, доживающий последние месяцы в статусе самого мощного ускорителя планеты американский «Тэватрон» преподнёс физикам неожиданный сюрприз. В конце прошлой недели сотрудники коллаборации CDF, работающие на одноимённом гигантском детекторе частиц «Тэватрона», опубликовали препринт, где описывают нечто, выходящее за рамки почти священной для физиков Стандартной модели элементарных частиц.
Если этот сигнал окажется не каким-то неучтённым фоновым эффектом, это открытие станет первым земным свидетельством ограниченности Стандартной модели.
Земным в том смысле, что астрофизикам уже давно известны тёмная материя и тёмная энергия, также в Стандартную модель не вписывающиеся. Правда, о свойствах частиц, из которых состоит тёмная материя, практически ничего не известно.
«Тэватрон» и лишние мюоны
физики элементарных частиц – теоретическая конструкция, описывающая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц. Стандартная модель не включает в себя гравитацию.
Стандартная модель состоит из следующих положений.
1. Всё вещество состоит из 12 фундаментальных частиц-фермионов: 6 лептонов (электрон, мюон, тау-лептон, и три сорта нейтрино) и 6 кварков (u, d, s, c, b, t), которые можно объединить в три поколения фермионов.
2. Кварки участвуют в сильных, слабых и электромагнитных взаимодействиях; заряженные лептоны (электрон, мюон, тау-лептон) – в слабых и электромагнитных; нейтрино – только в слабых взаимодействиях.
3. Все три типа взаимодействий возникают как следствие постулата, что наш мир симметричен относительно трёх типов калибровочных преобразований. Частицами-переносчиками взаимодействий являются:
8 глюонов для сильного взаимодействия (группа симметрии SU(3));
3 тяжелых калибровочных бозона (W+, W−, Z0) для слабого взаимодействия (группа симметрии SU(2));
один фотон для электромагнитного взаимодействия (группа симметрии U(1)).
4. В отличие от электромагнитного и сильного, слабое взаимодействие может смешивать фермионы из разных поколений, что приводит к нестабильности всех частиц, за исключением легчайших, и к таким эффектам, как нарушение CP-инвариантности и нейтринные осцилляции.
До сих пор все предсказания Стандартной модели подтверждались экспериментом, иногда с фантастической точностью в миллионные доли процента. Только в последние годы стали появляться результаты, в которых предсказания Стандартной модели слегка расходятся с экспериментом. С другой стороны, очевидно, что Стандартная модель не может являться последним словом в физике элементарных частиц, ибо она содержит слишком много внешних параметров, а также не включает гравитацию.
Однако даже просто зафиксировать факт существования большинства интересующих частиц не получается. Как правило, они неустойчивы и за ничтожные доли секунды превращаются в несколько частиц полегче. Именно свойства продуктов распада и измеряет детектор, а физики потом в соответствии с известной метафорой «пытаются восстановить устройство часового механизма, рассматривая осколки шестерёнок часов, столкнувшихся на околосветовой скорости».
Одна из самых популярных «шестерёнок» такого рода — мюон. По своим свойствам мюоны очень похожи на обыкновенные электроны, вращающиеся вокруг атомных ядер. Однако мюоны гораздо массивнее, а потому для физиков-экспериментаторов представляют особую ценность. Во-первых, их труднее «сбить с пути» при встречах с протонами и электронами детектора, а во-вторых, в самих столкновениях их рождается меньше, и разобрать их следы в детекторе проще, чем запутанные траектории многочисленных электронов.
Одна из частиц, которую активно изучали с помощью мюонов, — это так называемый B-мезон, в состав которого входит тяжёлый b-кварк (или антикварк).
И здесь мюоны долгое время водили экспериментаторов за нос.
Теория устройства и взаимодействия кварков — квантовая хромодинамика — позволяет вычислить вероятность рождения B-мезонов и их участия в различных взаимодействиях. Отсюда можно оценить и количество мюонов, которые родятся при распаде этих частиц. Однако в эксперименте мюонов рождалось существенно больше, чем планировалось. Более того, другой метод измерения свойств B-мезонов показывал результаты, всё лучше и лучше согласующиеся с теорией. Так что оснований обвинять теоретиков в том, что они не умеют считать (а расчёты в квантовой хромодинамике — вещь предельно сложная), у экспериментаторов оставалось всё меньше.
Причина этих расхождений долгое время оставалось загадкой, пока учёные не выяснили, что часть мюонов, которые физики долгое время принимали за продукты распада B-мезонов, на деле не имеют к ним отношения. Дело в том, что живёт B-мезон очень недолго и, родившись при столкновении протонов и антипротонов, успевает отлететь от оси вакуумной трубы, где происходят столкновения, лишь на 1–2 мм. Здесь он распадается на мюоны. Когда учёные разобрались, где рождаются те мюоны, которые фиксировал их детектор, проблема B-мезонов решилась: как оказалось, часть их возникала гораздо дальше от оси, и вклад этих «лишних мюонов» в финальный результат как раз и объяснял расхождение с теорией.
Но откуда берутся те самые «лишние» мюоны?
Некоторые из них зарождаются и в 3 мм от оси, и в пяти, и в семи; некоторые и вовсе вне вакуумной трубы, что уж совсем ни в какие ворота не лезет.
С этими частицами и связана зарождающаяся физическая «сенсация». Это редкое для почтенной науки слово на самом деле как нельзя лучше характеризует возбуждение теоретиков и экспериментаторов. На профессиональных блогах физиков уже вовсю бушуют дискуссии о реальности найденных коллаборацией CDF сигналов, а на сайте электронных препринтов Корнельского университета уже третий день подряд появляются всё новые и новые теоретические объяснения увиденному.
Новые частицы?
По словам авторов последней работы, найти «стандартного» объяснения им не удалось.
Всё выглядит так, будто найти удалось признаки существования какой-то новой частицы, живущей гораздо дольше B-мезона, и ей нет места в известной нам физике. Впрочем, от такого прямого утверждения учёные всё-таки воздерживаются: опыт целого поколения физиков, раз за разом убеждавшихся в применимости стандартной модели к, казалось бы, совсем необъяснимым явлениям, даёт о себе знать. Но просто игнорировать почти 100 тысяч событий, зарегистрированных одним из самых лучших приборов всё ещё самого мощного ускорителя Земли, нельзя.
Свойства «лишних» мюонов удивительны и сами по себе. Одно из самых поразительных состоит в том, что они очень часто рождались «пачками» — не по одной частице, а по две, по три, даже по восемь штук разом. Кроме того, как правило, из точки, в которой родились, они вылетали не во все стороны, а примерно в одном направлении — учёные даже употребляют термин «мюонная струя». А характерная масса новой неведомой частицы — если она действительно существует — составляет несколько ГэВ. Иначе говоря, «новая физика» — если мы действительно начинаем различать её в мюонном тумане — начинается на энергиях не в тысячи ГэВ, на которые устремлены монстры вроде LHC, а гораздо раньше.
И вот эти свойства поразительным образом сближают результаты с земного ускорителя с опубликованными буквально несколькими днями ранее данными с космического детектора античастиц PAMELA.
Международный исследовательский аппарат PAMELA на борту российского искусственного спутника «Ресурс-ДК1» надёжно зафиксировал избыток позитронов высоких энергий в потоке заряженных космических частиц. Этот результат может оказаться первым прямым свидетельством существования массивных слабовзаимодействующих частиц так называемой «тёмной материи», или скрытой массы, которой во Вселенной примерно в 5 раз больше, чем всего обычного вещества.
Участники программы PAMELA, наконец, публично сознались, что им удалось найти избыток позитронов при обработке данных о типе и энергии почти миллиарда космических частиц, зафиксированных в период с июля 2006 по февраль 2008 года. Результаты работы поступили на рецензию в журнал Nature и опубликованы в качестве препринта в арХиве Корнельского университета.
Позитроны являются античастицами обычных электронов, обращающихся вокруг атомных ядер, то есть ничем от них не отличаются, кроме заряда – если электроны несут единичный отрицательный заряд, то заряд позитронов положителен. Считается, что большая часть позитронов, бомбардирующих Солнечную систему, являются так называемыми вторичными частицами, то есть образуются они при взаимодействии высокоэнергичных ядер космических лучей с межзвёздным газом. Однако теория таких взаимодействий предсказывает, что доля позитронов по отношению к электронам должна уменьшаться с увеличением энергии частиц.
В то же время при распаде или аннигиляции массивных слабовзаимодействующих частиц, из которой, как предполагает ведущая теория, состоит тёмная материя, должно появляться значительное число позитронов с высокими энергиями. Именно такое поведение и увидела PAMELA. Если в диапазоне энергий от 1 ГэВ (гигаэлектронвольта) до 10 ГэВ доля позитронов по отношению к протонов снижается с энергией, то на энергиях с 10 ГэВ начинается рост, который продолжается по меньшей мере до 100 ГэВ, где данные обеспечивают статистически осмысленные оценки. На самом деле, при энергии около 100 ГэВ доля позитронов в смеси электроны+позитроны составляет около 15%, в то время как на энергиях в 1 ГэВ их доля вдвое меньше; теория вторичных позитронов предсказывает, что позитронов на энергии в 100 ГэВ должно быть всего несколько процентов.
По мнению многих учёных, результаты космического эксперимента хорошо согласуются с представлениями о частицах тёмной материи в суперсимметричных расширениях Стандартной модели элементарных частиц. Ведущим кандидатом на роль такой частицы является нейтралино – квантовая смесь суперсимметричных партнёров фотона, Z-бозона и частицы Хиггса, существование которой предсказывает теория суперсимметрии. Более того, появление избытка позитронов на энергиях от 10 ГэВ и выше повышает шансы, что следы суперсимметрии могут проявиться в экспериментах на Большом адронном коллайдере, где частицы будут сталкиваться с взаимной энергией в 14 тысяч ГэВ.
Вместе с тем, у избытка позитронов может оказаться и более прозаический, хотя не менее интересный астрономам, источник – магнитосферы нейтронных звёзд, расположенных неподалёку от Земли. В этом случае, надеются участники эксперимента PAMELA, со временем, при увеличении общего количества зарегистрированных частиц, в данных может проявиться неоднородность прихода частиц в зависимости от положения спутника на околоземной орбите и его ориентации относительно нейтронной звезды, Земли и Солнца. Пока учёным удалось заметить лишь отличие измеренного ими потока позитронов и электронов от результатов, полученных в ходе предыдущих экспериментов. Участники проекта объясняют эти расхождения изменением конфигурации магнитного поля Солнца в ходе полного 22-летнего цикла солнечной активности; данные по антипротонам подтверждают такую трактовку.
Слухи о том, что PAMELA нашла избыток позитронов, ходили среди астрофизиков с начала лета – участники проекта кратко упоминали об этих результатах и даже показывали графики, подтверждающие эти заявления, однако рассказывать о результате подробно отказывались. Такое поведение даже породило взаимные обвинения в нарушении научной этики между командой PAMELA и несколькими молодыми учёными, опубликовавшими работы на основании данных, снятых на камеру мобильного телефона во время докладов о результатах космического эксперимента.
Оборудование эксперимента PAMELA (Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics, бортовое оборудование для исследования антиматерии и астрофизики лёгких ядер) закреплено на борту российского спутника «Ресурс-ДК1», обращающегося вокруг Земли по орбите высотой от 350 до 615 километров с наклонением 70 градусов к экватору. Спутник был запущен с космодрома Байконур 15 июня 2006 года и предполагается, что он проработает минимум до конца 2009 года. В научной программе эксперимента PAMELA участвуют итальянские, российские, германские и шведские институты. От России в проекте участвуют учёные из Физического института имени Лебедева Академии наук, московского и петербургского Физико-технического институтов и Московского инженерно-физического института. Руководит проектом с российской стороны профессор МИФИ Аркадий Гальпер.
Тёмная сила
Как оказалось, у квартета теоретиков из Принстона, Гарварда и Нью-Йорка уже готово объяснение результатам PAMELA, которое пришлось как нельзя кстати к новым данным с «Тэватрона». По мнению Нимы Арканихамеда и его коллег, в рамках их суперсимметричной модели единое и естественное объяснение получают избыток позитронов, надёжно измеренный аппаратом PAMELA, едва различимый избыток гамма-лучей, приходящих, казалось бы, из ниоткуда, и туманное свечение центра галактики в гамма- и радиолучах, зафиксированные другими астрофизическими спутниками.
В соответствии с моделью частицы тёмной материи имеют массу порядка 1000 ГэВ и не участвуют в известных нам взаимодействиях. Однако они действуют друг на друга с помощью короткодействующей «тёмной» силы, которую переносит другая тёмная частица с массой около 1 ГэВ. Иными словами, к трём обычным видам взаимодействия, действующим лишь на обычное вещество (электромагнитному и ядерному, слабому и сильному), добавляется ещё одно, действующее лишь в мире тёмной материи. Гравитация, как водится, стоит особняком, связывая оба мира.
«Тёмная» сила понадобилась теоретикам для того, чтобы связать частицы тёмной материи в своего рода «атомы», в которых одна из тёмных частиц имеет отрицательный «тёмный заряд», а другая — положительный «тёмный заряд». Только наличие подобного заряда позволяет тёмной материи аннигилировать достаточно интенсивно, чтобы объяснить результаты астрофизических наблюдений (это так называемый механизм Зоммерфельда).
Однако частица — переносчик «тёмной» силы уже может напрямую распадаться с испусканием обычных частиц, и именно она может быть ответственна за появление «лишних» мюонов.
Более того, распад заряженных тёмным зарядом тёмных частиц естественным образом идёт каскадом, пока не упрётся в самую лёгкую стабильную тёмную частицу, распадаться которой уже не во что. В каждый шаг этого каскада вовлечена частица — переносчик тёмной силы, и потому на каждом шаге может появиться лишний мюон. Вот вам и мюоны «пачками». Ну а тот факт, что все они вылетают в одном направлении, связан просто с тем, что распадающаяся частица движется быстро — так заряды праздничного салюта, взрывающиеся, не долетев до высшей точки своей траектории, выбрасывают вперёд целые фонтаны ярких огней. Вот вам и «струи».
Правда, как отмечает специалист по физике высоких энергий Игорь Иванов, лишних мюонных событий на CDF получается слишком много — Арканихамед и его коллеги предполагали, что появление мюонных струй будет крайне редким сигналом. Но нет сомнений, что публикация данных коллаборациями CDF и PAMELA приведёт к появлению в ближайшие месяцы десятков, а может, и сотен возможных объяснений. Так что зацикливаться на модели Арканихамеда, может быть, и не стоит. Пока её выделяет лишь то, что она оказалась ко двору при интерпретации и тех и других данных.
Конечно, не исключено, что оба экспериментальных результата получат более тривиальные объяснения. «Лишние мюоны» могут оказаться не более чем неучтённым инструментальным эффектом гигантской установки CDF, а «лишние позитроны» — генерироваться в окрестностях нейтронных звёзд нашей Галактики.
Но перспективы интригуют. В мире тёмной материи, ещё недавно казавшейся бесформенной мутью, за которой астрономы прячут своё непонимание устройства мира, начала вырисовываться структура — какие-то взаимодействия, «тёмные заряды», «тёмные атомы». Может быть, физика не кончилась, и новым поколениям учёных будет что изучать в «тёмном мире».
