9 Июня 2019

Последние открытия в физике элементарных частиц

Опубликовал А.А. Алексеенко

За период 2018 и середины 2019 года в физики элементарных частиц был сделан ряд любопытных открытий. Их нельзя назвать громкими или революционными, но они однозначно заслуживают внимания научного сообщества. В первую очередь, стоит выделить следующие отрасли:

  • Исследования, производимые с помощь коллайдеров.
  • Практические исследования в области низких энергий.
  • Физические свойства нейтрино.
  • Исследования в астрофизической области.

Рассмотрим подробнее каждую категорию открытий, не затрагивая отдел теоретической физики, в которой каждое новое открытие требует глубокого рассмотрения.

Новости в коллайдерных исследованиях

2018 год стал завершительным для четырехлетнего этапа рабочего процесса Run 2. За период ушедшего года во время работы прибора возникали внештатные ситуации, но они были решены обходными путями, и набор статистики не снизил предыдущих ударных темпов. За период действия Run 2 оба детектора CMS и ATLAS набрали интегральной светимости по 150 fb−1 каждый. Теперь у экспериментаторов есть данные для обработки на несколько лет вперёд, так как в современной физике элементарных частиц, между получением сырых данных и формированием достоверных научных знаний может пройти не один год.

Также было проведено углубление в изучении свойств недавно открытого бозона Хиггса. Исследователи смогли выяснить все каналы того, как рождается и распадается эта элементарная частица. Перед получением этих результатов было проведено пять лет упорной работы, в результате подтвердились ожидания Стандартной модели. Новых ярких эффектов найдено не было, что подтвердило предыдущие научные предположения. Наблюдался разный подход к осмыслению результатов. Физики-экспериментаторы считают наблюдение за бозонами Хиггса триумфом науки. А теоретики наоборот, - разочарованы тем, что так и не произошел выход за рамки Стандартной Модели и переход в Новую Физику.

Результаты низкоэнергетических исследователей

В этом направлении основная работа направлена на решение проблем Стандартной Модели, такой как устройство адронов. Например, как происходит конфаймент (процесс взаимодействия кварков), до сих пор не доказано математически. Сейчас идёт процесс накопления и обработки знаний, но больших прорывов пока не было осуществлено, несмотря на сотни публикаций на данную тему.

Самый выдающийся результат за отчетный период - это успешное измерение давления внутри протона. По данным исследователей, внутри некоторых протонов давление может достигнуть 1035 Па, что превышает внутреннее давление в нейтронных звездах. Ценность этих данных в том, что физики научились извлекать из виртуального комптоновского рассеяния достоверные данные.

Ещё один интересный результат в отчетном периоде был сделан в ЦЕРНе, в ходе эксперимента ALPHA, позволившего провести спектроскопическое исследование антиводорода. Как и в вышеописанном случае с бозонами, исследование антиводорода полностью подтвердило теоретические «предсказания».

Будущее коллайдерных исследований

Большой адронный коллайдер имеет загрузку в расписании до 2037 года. Это породило необходимость строительства новых коллайдеров для будущих исследований. Инициатива усложнена тем, что гарантировать открытия при работе коллайдера сложно, а строительство требует миллиардных инвестиций.

Для решения этой проблемы ЦЕРН, наряду с прочими исследовательскими центрами, начали программы по определению важнейших приоритетов в развитии экспериментальной физики элементарных частиц. Благодаря предварительным проектам, появилась информация о возможном пуске следующих коллайдеров:

  • CEPC – коллайдер, который будет построен в Китае. Технологии для создания этого циклического позитронно-электронных устройства уже доступны, и, если проект будет полностью одобрен, то начнет работу примерно в 2030 году.
  • FCC – грандиозный проект ЦЕРНа, который находится в разработке на протяжение нескольких лет. Процесс тормозит неоконченная разработка технологии магнитов с очень узкими сверхпроводящими качествами. Этот этап будет предварительно до 2030 года, что откладывает запуск коллайдера до 2043.
  • ILC – международный проект линейного коллайдера, который планируется строить на японской территории. Технология строительства давно готова, ожидается только одобрение со стороны правительства Японии, которое, несмотря на общий позитивный настрой, до сих пор оценивает риски возможности совершения громких фундаментальных открытий в процессе работы ILC.
  • CLIC – еще одни ЦЕРНовский проект, только имеющий линейную конструкцию. Коллайдер разрабатывался по иным технологиям, перспективно способным увеличить энергию, высвобождающуюся при столкновениях до 3 ТэВ. Научное сообщество рассматривает этот коллайдер, как запасной вариант в случае, если Япония откажется строить свой

Происходящее в отрасли показывает, что мировая наука однозначно может рассчитывать на работу, как минимум, с одним новым коллайдером, начиная с 2030-го года.

Сфера исследования нейтрино

Для исследования нейтрино используется иной инструментарий по сравнению с изучением других элементарных частиц. Изучая эти элементарные частицы, ученые ищут ответы на нерешенные вопросы физики. За подотчетный период ученые смогли получить ответы на некоторые из этих глобальных вопросов.

Один из главных экспериментов 2018 года получил название NOvA. В ходе данного эксперимента была проведена работа с пучками антинейтрино, что дало ряд интересных результатов. Например, были получены данные по массам нейтрино, которые, как выяснилось, имеют склонность к нормальному порядку. Также появились данные, указывающие на наличие СР-нарушений в секторе нейтрино. Это было достигнуто благодаря возможности переключаться с потоков нейтрино на антинейтрино и сверять полученные результаты.

Еще один эксперимент под названием MiniBooNE, наоборот, дал физикам новую загадку. Дело в том, что данные, собранные в ходе этого эксперимента, указывают на возможность появления четвертого вида нейтрино. Однако приверженцы Стандартной Модели критикуют данные результаты и склонны предполагать некорректное проведение эксперимента.