Составные субатомные структуры, созданные мощными столкновениями протонов, неожиданно распались в детекторе Большого адронного коллайдера под названием LHCb.
Буква «b» в названии детектора означает красоту, обозначение разновидности кварка, одного из фундаментальных строительных блоков материи. Пары кварков, красивый кварк плюс еще один - любой из нескольких различных видов - вместе составляют красивый мезон.
Мезоны - нестабильные, мимолетные структуры, быстро распадающиеся на элементарные частицы. Один тип распада производит либо электрон и позитрон, либо мюон и его аналог из антивещества, антимюон.
Стандартная модель физики элементарных частиц, мощная математическая модель, которая привела физиков к открытию бозона Хиггса и других предшествующих частиц, предсказывает, что оба результата будут происходить с одинаковой скоростью.
Но эксперименты с использованием детектора LHCb показывают, что искаженное отношение распада мюона к электрону ниже, чем ожидалось, на 25 процентов. Аномалии такого рода указывают на «новую физику», детали фундаментальных сил природы, которые еще предстоит выяснить.
Бенджамин Гринштейн, профессор физики Калифорнийского университета в Сан-Диего, вместе с научными сотрудниками Родриго Алонсо Де Пабло и Хорхе Мартином Камаличем пересмотрели математику, лежащую в основе предсказания. На этой неделе они опубликовали исправление в журнале Physical Review Letters.
Стандартная модель описывает частицы и их взаимодействия, которые создают фундаментальные силы природы, включая электромагнетизм и «слабое взаимодействие», ответственное за радиоактивный распад.
В обычных обстоятельствах слабое взаимодействие и электромагнетизм кажутся разными, но в необычных условиях, таких как высокие энергии, создаваемые коллайдерами, или экстремальные условия космоса сразу после Большого взрыва, они считаются едиными., понятие, называемое электрослабой теорией.
«Мы заметили, что параметры, которые люди использовали для экспериментов с маломассивными частицами, такими как мезоны, не включали ограничения, соответствующие этому расширению - этим модификациям Стандартной модели, которые учитывают дополнительные взаимодействия», - сказал Гринштейн. «Когда вы это делаете, вы обнаруживаете на удивление много ограничений. Мысль заключалась в том, что при низких энергиях вы можете забыть об ограничениях из электрослабой теории, потому что вы их не видите, но это не так».
Когда две силы рассматриваются как одна, некоторые математические термины, описывающие взаимодействия, называемые параметрами, не допускаются и могут быть отброшены, заключила группа Гринштейна. Другие связаны между собой и поэтому могут быть объединены в отдельные параметры, что значительно сокращает общее количество параметров, которые должна учитывать модель.
«Обычно более пристальный взгляд приводит к более подробным или сложным моделям. Одна из самых приятных вещей в этом проекте заключается в том, что наши предположения значительно упростили изучение физики этих распадов», - сказал Алонсо.
«Мы смогли определить новую физику, чтобы объяснить аномалию», - сказал Камалич.
Их описание полностью соответствует математике Стандартной модели. Это дополнение, которое объясняет небольшие отклонения в ожидаемом поведении частиц с малой массой, например, то, как распадаются красивые, странные и очаровательные мезоны.
Их упрощенное математическое описание делает конкретные предсказания относительно того, что должны наблюдать физики-экспериментаторы. Он ограничивает вращение или спиральность элементарных частиц, возникающих, например, в результате определенных взаимодействий.
Это чрезвычайно редкие события; только один из 100 миллионов мезонов красоты распадается таким образом, хотя коллайдер производит миллиарды. Только этот детектор обнаружил аномалию, которую рассматривала группа Гринштейна.
Квантовая теория поля утверждает, что силы или взаимодействия возникают в результате обмена частицами.
«Эта параметризация игнорирует обмен частицами. Она не зависит от этого», - сказал Гринштейн. Но это потенциальное руководство для открытия новых элементарных частиц. «Как только обмен хорошо описан, вы можете вернуться и спросить, какая частица должна его опосредовать с некоторыми очень специфическими требованиями».
Если дополнительные частицы и существуют, то до сих пор они оставались незамеченными, возможно, потому, что они настолько массивны, что коллайдеры еще не достигли энергии, необходимой для их образования.
Космология указывает на неизведанную физику, а также на существование темной материи, состоящей из неизвестного вещества, и темной энергии, ускоряющей расширение Вселенной с неучтенной силой. Если новые частицы окажутся материалом темной материи, могут возникнуть тайны.
«В физике, если вы продолжаете задавать вопросы, вы добираетесь до основ, основных взаимодействий, которые могут объяснить все остальное», - сказал Алонсо.