Журнал о технике

Шел 2016. год, физики работали не покладая рук. Четыре года назад БАК подтвердил существование бозона Хиггса, предсказанного Стандартной моделью. Все это к тому, что БАК должен найти и другие новые частицы — сама природа, казалось, требовал их. Но все данные, собранные учеными, только разбить свои мечты в пух и прах. Стандартная модель и теория относительности работают отлично, но физики считают, что где-то есть подвох. Они думают, что эти теории неполной, не совпадают одна с другой и иногда приводят к парадоксам, лечение, которое еще не нашли. Должно быть что-то еще. Но где искать?

Укрытия с новыми явлениями становится все меньше и меньше. Но физики еще не исчерпаны все возможности. Перед вами наиболее перспективным направлением, в котором в данный момент ведутся поиски.

Столкновения частиц на высоких энергиях, как те, что достигли с помощью БАК, может производить все существующие частиц до энергий, которые сталкиваются частиц. Но количество новых частиц зависит от силы их взаимодействия. Частица, которая очень слабо взаимодействует, может родиться так редко, что его до сих пор не видели.

Физики предложили много новых частиц, которые попадают в эту категорию, потому что слабо взаимодействующих материал в целом, кажется, очень похож на темную материю. В частности, здесь являются слабо взаимодействующие массивные частицы (вимпы), стерильные нейтрино и аксионы (и сильный кандидат на темную материю).

Эти частицы находятся в поисках как с помощью прямых измерений — глядя большими резервуарами в шахтах в ожидании редких взаимодействия, — так и высматривая необъяснимые астрофизические процессы, которые могли бы выступить в роли косвенно сигнала.

Если эти частицы не были слабо взаимодействующего типа, мы бы их уже заметили, если только их масса не выходит за пределы энергии, который нам удалось достичь с ускорителями частиц в данный момент. В этой категории у нас есть все суперсимметричные частицы-партнеры, которые гораздо труднее частицы стандартной модели, потому что суперсимметрия нарушена. Кроме того, при высоких энергиях могут увидеть волнение частиц, которые присутствуют в моделях с компактифицированными дополнительными измерениями. Эти волнения отображаются на определенных дискретных энергетических уровней, которые зависят от размера дополнительных измерений.

Строго говоря, большую роль в вопросе возможного обнаружения таких частиц играет не масса, а энергия нужна для производства таких частиц. Сильное ядерное взаимодействие, например, показывает «конфайнмент», предполагает, что для разрыва кварков требуется много энергии, даже если их масса не очень велика. Таким образом, кварки должны иметь компоненты — их часто называют «преонами», которые имеют взаимодействия — «техниколором» — выглядит как сильное ядерное. Самые очевидные модели техниколора вступили в противоречие с данными еще десять лет назад. Но идея продолжает жить, и, хотя выжил модель не особенно популярна, чтобы положить его со счетов не стоит.

Эти явления ищут на БАК и в высокоэнергетических космических лучей.

Высокоточные испытания процессов Стандартной модели дополняют измерения высоких энергий. Они могут быть чувствительны к мельчайшим эффектов, которые вытекают из виртуальных частиц, то энергия, которая слишком высока, чтобы можно было бы выполнять на ускорителях, но очень существенный при низких энергиях от квантовых эффектов. Примеры этого — распад протонов, нейтронов-антинейтронные осцилляции, мюон g-2, каонные осцилляции. Для всех этих примеров есть и эксперименты, которые ищут отклонения в Стандартной модели, и точность этих измерений постоянно растет.

Того, очень точно тест — поиск безнейтринного двойного бета-распада, который показал, что нейтрино являются майорановскими частицами, совершенно новый тип частиц.

В то время молодой Вселенной, вещь намного плотнее и горячее, чем мы могли бы надеяться когда-либо достичь на наших ускорителях частиц. Поэтому, оставшиеся от тех времен, подписи могли бы дать нам новую пищу для размышлений. Колебания температуры в космическом микроволновом фоновом режиме, чтобы проверить скрипты инфляции или ее альтернатива, могла бы наша Вселенная, чтобы выжить «большой отскок», а не «большого взрыва» и квантовалась ли в это время тяжести.

Некоторые подписи новые физики проявляются на больших расстояниях, а не на маленькие. Нерешенной проблемой является, например, форма Вселенной. Является ли бесконечно большая, или замыкается в себе? И если это так, то как это? Одно из исследований, посвященных этому вопросу, в поиске повторяющихся ритм в температурных флуктуациях космического микроволнового фона (CMB). Если мы живем в мультивселенной, две вселенные могли случайно столкнуться, что оставило бы след в CMB. Другой феномен, который может проявляться на больших расстояниях, это пятая сила, которая легко может привести к расстройств.

Не все эксперименты большие и дорогие. Хотя открытие «на коленке» становятся все менее вероятными только потому, что многое уже было испробовано и сделано, остаются области, где небольшие лабораторные эксперименты мог бы направить нас на новый след. Особенно это касается квантовой механики, в которой маленькие механизмы и детекторы позволяют провести ранее невозможные эксперименты. Возможно, когда-нибудь мы будем в состоянии решить спор в связи с «правильной» интерпретации квантовой механики, просто измерить, какой из них является правильным.

Физика еще далеко от завершения. Становится все труднее, чтобы проверить новые фундаментальные теории, но мы постепенно расширяем границы многих существующих экспериментов. Где-то там может быть новая физика; нам нужно только, чтобы поднять энергии, точность и искать все более тонкие эффекты. Если природа будет очень хорошо для нас, в этом десятилетии мы можем уничтожить Стандартная модель и идет к новой вселенной за ее пределами.

Где скрывается новая физика?
Илья Хель