Когда физика элементарных частиц изменит нашу жизнь?

Когда в 1932 году Джеймс Чедвик открыл нейтрон, стало очевидно, что ядро атома состоит из еще более мелких частиц. Тогда начался новый этап развития ядерной физики, ну а впоследствии это привело к созданию Стандартной модели — теории, которая описывает фундаментальные составляющие Вселенной.

Почти все эксперименты с элементарными частицами подтверждали Стандартную модель. Убедительных признаков существования новой физики за пределами Стандартной модели не было вплоть до 2021 года, когда в американской Национальной ускорительной лаборатории Ферми (Fermilab) сообщил о статистически значимых расхождение с предсказаниями Стандартной модели.

В прочем, физики всегда говорили, что в Стандартной модели есть ряд нерешенных вопросов. Физику, выходящую за пределами Стандартной модели, часто называют «Новой физикой».

Международная команда, состоящая из почти 400 ученых, в течение десяти лет изучили триллионы столкновений разных элементарных частиц на коллайдере Теватрон, в уже упомянутой лаборатории имени Ферми (исследование CDF). Установка завершила свою работу еще в 2011 году — и все это время физики обрабатывали полученные данные.

Результат оказался не таким, как ожидали физики. Их подсчеты показали, что W-бозон — элементарная частица, отвечающая за слабое взаимодействие — может быть на 0,09% тяжелее, чем предсказывала Стандартная модель. Хотя разница между теоретическим предсказанием и экспериментальным значением составляет всего 0,09%, она значительно больше, чем допустимая погрешность результата, которая составляет около 0,01%. Этот вывод также не согласуется с некоторыми другими измерениями массы.

«Результаты исследований потрясли мир физики элементарных частиц»,- так это событие описывает ряд иностранных СМИ, цитируя физиков.

«Измерение «чрезвычайно захватывающее и поистине монументальное в нашей области», — говорит Флоренсия Канелли, физик-экспериментатор элементарных частиц из Цюрихского университета в Швейцарии. Пишет Nature.

«Мы считаем, что в этом конкретном измерении есть сильный ключ к тому, что природа может приготовить для нас», — говорит Ашутош Котвал, физик-экспериментатор элементарных частиц из Университета Дьюка в Дареме, Северная Каролина, который руководил исследованием CDF.

Некоторые физики дают свои комментарии с осторожностью. Ведь генерация измерения массы W-бозона из экспериментальных данных известна своей сложностью.
«Хотя работа впечатляет, я бы с осторожностью интерпретировал значительное отличие от стандартной модели как признак новой физики», — говорит Матиас Шотт, физик из Майнцского университета имени Иоганна Гутенберга в Германии, работающий над экспериментом ATLAS в CERN, европейской лаборатории физики элементарных частиц недалеко от Женевы, Швейцария.

По его словам, физики должны уделить первоочередное внимание выяснению того, почему значение отличается от других недавних результатов.

Что за частица такая?

С тех пор как бозон W был открыт в ЦЕРНе в 1983 году, эксперименты подсчитали, что он весит примерно столько же, сколько 85 протонов. Но его точную массу было сложно определить количественно: первая экспериментальная оценка имела погрешность в 5% или более. «Измерение массы W-бозона, пожалуй, самый сложный параметр для измерения в нашей области», — говорит Мика Вестеринен, физик частиц из Университета Уорвика, Великобритания, который работает над этим измерением в эксперименте LHCb в ЦЕРН.

Вместе со своим двоюродным братом, Z-бозоном, W участвует в большинстве типов ядерных реакций, в том числе в синтезе, питающем Солнце. Бозоны W и Z несут слабое ядерное взаимодействие — одно из четырех фундаментальных сил природы.

Как измеряют массу?

Коллайдеры производят бозоны W, сталкивая частицы друг с другом при высоких энергиях. Эксперименты обычно обнаруживают бозоны, когда они распадаются на нейтрино плюс либо тип электрона, либо его более тяжелого родственника, мюона. Нейтрино бесследно покидает детектор, тогда как электрон или мюон оставляет заметные следы.

При распаде большая часть первоначальной массы W превращается в энергию новых частиц. Если бы физики могли измерить эту энергию и путь всех частиц распада, они смогли бы сразу рассчитать массу породившего их W. Но, не имея возможности отслеживать нейтрино, они не могут точно сказать, какая часть энергии электрона или мюона исходит от массы W, а какая — от его импульса. Это делает измерение «заведомо сложным», говорит Вестеринен. «Вы пытаетесь построить массу, когда видите только половину распада».

Зачем нам физика элементарных частиц? Развитие ядерной физики способствовало научно-техническому прогрессу. На атомных электрических станциях ядерная энергия используется для получения тепла, используемого для выработки электроэнергии и отопления. Ядерные силовые установки решили проблему судов с неограниченным районом плавания (атомные ледоколы, атомные подводные лодки, атомные авианосцы).Химики и геологи, используют ядерные методы анализа, а медики применяют радиоактивные препараты в диагностике или лечении заболеваний. Наличие ядерного оружия до сих пор оказывает влияние на внешнюю и внутреннюю политику государств.

А вот что насчет физики элементарных частиц? По мнению ряда ученых, по практических приложений в физике элементарных частиц пока далеко.

«Но это ни о чем не говорит: вы прекрасно знаете, что, когда появилась электродинамика Фарадея-Максвелла, никто о ней не думал в практическом смысле. Это была чистая теория, ни о каких приложениях никто не думал. А сейчас представьте себе, что света нет на улице. Или интернета у вас дома», — считает Михаил Иосифович Высоцкий, главный научный сотрудник лаборатории квантовой теории поля ФИАН, член-корреспондент РАН.

Некоторые ученые считают, что если мы откроем для себя все тайны нейтрино, то вероятно сможем прийти к принципиально новым видам связи.

«Если будет нужна связь с подводными лодками, например, то действительно с фотонами там сложность, потому что вода экранирует электрическое поле, а нейтрино дойдет до подводной лодки без проблем. Но как она там будет детектировать нейтрино и как туда сигнал передать, пока непонятно. Хотя задача может быть важная.

Могут быть совсем другие приложения. Возможны новые источники энергии, потому что при распадах элементарных частиц выделяется большая энергия, чем при распаде ядра», — говорит Михаил Высоцкий.