Світ маленького крихітного, квантового царства, міг мати улюблений аромат.
Ми, звичайно, не говоримо про конуси морозива itty-bitty. Світ частинок розділений на три табори, які називаються "ароматизаторами" (не питайте, чому). Наприклад, електрони представляють один аромат, і є дві інші частинки з майже однаковими властивостями, мюон і тау, які мають свої аромати. Ми давно підозрюємо - але не доведено - що всі три аромати повинні бути на рівних умовах.
Але, на жаль, роки експериментів на колайдерах починають припускати, що, можливо, не все є рівним.
Результати цих експериментів все ще є орієнтовними та недостатньо вагомими для того, щоб стверджувати про тверде відкриття тріщини у біблії фізики частинок під назвою Стандартна модель. Однак, якщо результати будуть успішні, це може відкрити шлюз для розуміння всього, від темної матерії до витоків Всесвіту. Ви знаєте, основні невирішені проблеми сучасної фізики.
Стандартні ароматизатори
Стандартна модель фізики частинок панує на найвищому рівні, успішно передаючи десятиліття тестування експериментів у всьому світі. Ця теорія об'єднує наше розуміння трьох з чотирьох основних сил Всесвіту - електромагнетизму, сильної ядерної та слабкої ядерної - під єдиним квантовим прапором. Якщо говорити, це найбільш перевірена теорія в усіх науках, здатна пояснити широкий спектр фундаментальних взаємодій.
Іншими словами, ви просто не вадитесь зі стандартною моделлю.
І все ж ми знаємо, що ця картина субатомного світу далеко не досконала. Назвемо лише кілька прикладів, це не пояснює нейтрино мас або не дає нам поняття про темну матерію. Переважна більшість фізиків вважає, що існує ще одна невідома теорія, яка охоплює все, що Стандартна модель здатна пояснити, і те, чого вона не може.
Проблема полягає в тому, що ми не знаємо, як виглядає ця теорія або які прогнози можуть зробити. Тому ми не тільки не знаємо повних відповідей на життя, Всесвіт і все, що знаходиться між ними, ми також не знаємо, як отримати ці відповіді.
Щоб знайти підказки "Кращої теорії", дослідники шукають будь-які недосконалості чи помилкові прогнози Стандартної моделі - тріщина в цій теорії може, можливо, відкрити двері до чогось більшого.
Одне з багатьох прогнозів стандартної моделі стосується природи лептонів, які є крихітними, одиночними частинками, такими як електрони або кварки. Лептони згруповані в три класи, відомі як покоління або ароматизатори залежно від того, якого фізика ви запитаєте. Частинки з різними смаковими якостями будуть мати однакові властивості, за винятком різної маси. Наприклад, електрон, мюон і частинка тау мають однаковий електричний заряд і віджимання, але мюон переважає електрон, а тау тим більше - вони мають різний аромат.
Відповідно до стандартної моделі, ці три аромати електрона повинні поводитись абсолютно однаково. Фундаментальні взаємодії повинні виробляти кожне з них з однаковою ймовірністю; природа просто не може визначити різницю між ними, тому це не дуже сприяє одному аромату над іншим.
Що стосується трьох ароматів, природа застосовує неаполітанський підхід: усі вони.
Прекрасний результат
Це все теорія, і тому її слід перевірити. Протягом багатьох років проводяться різні експерименти, як, наприклад, у великому адронному колайдері в ЦЕРН та на об'єкті Бабара, в якому основні частинки розбиваються в масових зіткненнях. Отримані в результаті зіткнення частинки можуть дати підказки щодо того, як природа працює на найглибших рівнях. І деякі з цих зіткнень були розроблені, щоб побачити, чи подобається природі один аромат лептону над іншими.
Зокрема, один вид частинок, званий нижній кварк, справді насолоджується розпадом на лептони. Іноді це стає електроном. Іноді мюон. Іноді тау. Але незважаючи ні на що, всі три аромати мають однаковий шанс вийти з уламків.
Фізикам вдалося зібрати сотні мільйонів таких розпадів нижнього кварку, і, починаючи кілька років тому, у даних з’явилося щось дивне: Природа, здавалося, віддала перевагу частинкам тау у цих взаємодіях трохи більше, ніж інші лептони. Це було ледь статистично значущим, тому було легко відмахнутися від цих результатів як просто статистичний флюк; можливо, ми просто не виконали достатньо зіткнень, щоб усе вирівняти.
Але в міру того, як роки минули, результат затримався, як вказує фізик Антоніо Піх з Університету Валенсії в Іспанії в огляді цього дослідження, опублікованому в базі даних preprint arXiv в листопаді. Природа виглядає досить впертою, коли йдеться про її очевидну прихильність до частинки тау. Результат все ще не є переконливим, але його наполегливість протягом багатьох років та в різних експериментах зробила справжню чубчик голови.
Не дуже стандартна модель
У стандартній моделі різні аромати лептонів отримують свій… ну, аромат… завдяки їх взаємодії з бозоном Хіггса: чим більше аромат взаємодіє з Хіггсом, тим більша його маса. Але в іншому випадку природа не розмежовує їх, отже, передбачення, що всі аромати повинні з'являтися однаково у всіх взаємодіях.
Але якщо ці так звані «аномалії смаку» справді є справжньою особливістю нашого Всесвіту, а не просто помилкою у збиранні даних, то нам потрібен якийсь спосіб пояснити, чому природі слід більше піклуватися про частинку тау, ніж про електрон або мюон. Однією з можливостей є те, що навколо може летіти більше одного типу бозона Хіггса - один для забезпечення маси електрона і мюона, а інший, який особливо любить тау, дозволяючи йому частіше вискочувати з взаємодій.
Інша можливість полягає в тому, що є зайві частинки, які розмовляють з тау - частинки, яких ми ще не бачили в експериментах. А може, є якась фундаментальна симетрія природи, яка виявляється лише через шепот лептонових реакцій - іншими словами, якась нова сила природи, яка виявляється лише в цих незрозумілих, рідкісних взаємодіях.
Поки ми не зробимо докази (зараз статистична значимість цієї різниці становить близько 3-сигми, що становить 99,3% шансів, що цей результат є просто моментом, тоді як "золотим стандартом" для фізики частинок є 5-сигма, або 99,97%), ми не можемо точно знати. Але якщо докази посиляться, ми могли б використати це нове розуміння, щоб знайти нову фізику за межами стандартної моделі, відкривши можливість пояснення наразі незрозумілого, наприклад, фізики самого раннього Всесвіту чи чого б там не було з темною речовиною.
