Коллайдер нам поможет?
В настоящее время нет однозначного понимания ни в теории возникновения Вселенной, ни в аспектах мироздания в целом. Создана и пока является базовой Стандартная модель, которая худо- бедно описывает космологические процессы, но при этом есть ощущение очередного кризиса в физике. Имеется много проблем. Присутствует понимание того, что основные взаимодействия должны быть описаны единой теорией, но вот незадача - они упрямо не желают укладываться в единую схему. Гравитация согласна, от силы,на общую теорию относительности Эйнштейна, три других - сильные, слабые и электромагнитные взаимодействия, вроде, не возражают против Стандартной модели. Тут вырисовываются и нарушения симметрии электрослабых взаимодействий. И непонятной этиологии темная материя и темная энергия. Вопросов много. И много теорий, претендующих на их истолкование: теория струн, М- теория (бран), супергравитация, экзотические и много еще чего. Но нужно экспериментально разобраться и хотя бы отсеять явно неверные положения. Здесь- то и притаилась загвоздка - с очень необычными объектами придется работать, доказательства, если будут получены, то лишь косвенные. Но ученым выбирать не приходится.
Совместными усилиями ученых разных стран 21 октября 2008 года состоялась презентация Большого Адронного Коллайдера ( LHC). Это ускоритель заряженных частиц нового поколения на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжелых ионов и изучения продуктов их соударений. Он был построен в ЦЕРНе, на границе Швейцарии и Франции. Именно он, как ожидают, сможет ответить на вопросы, связанные с неопределенностью в физике элементарных частиц, заодно решив и некоторые проблемы космологии.
Детекторы Коллайдера и их направления работы:
ATLAS и CMS - поиск бозонов Хиггса, являющихся квантами гипотетического скалярного поля и нестандартной физики, в частности темной материи;
ALICE - создание и изучение кварк- глюонной плазмы, гипотетического состояния материи сразу после Большого Взрыва;
LHCb - исследование b-кварков, что позволит понять различие материи и антиматерии;
TOTEM - изучение рассеяния протонов на малые углы, контроль светимости Коллайдера;
LHCf - исследование космических лучей;
MoEDAL - регистрация магнитных монополей и экзотики - других долгоживущих частиц с аномально высокой ионизирующей способностью.
Задачи, стоящие перед сотрудниками Коллайдера.
Исследование хиггсоновского механизма нарушения электрослабой симметрии. Это может натолкнуть на более глубокую теорию мироустройства, чем Стандартная модель.
Поиск суперсимметрии - это новая и глубокая теория устройства мира, пока чисто гипотетическая.
Изучение топ- кварков. Это самые тяжелые фундаментальные частицы, могут играть важную роль в нарушении электрослабой симметрии.
Изучение кварк- глюонной плазмы. Сталкивать будут не только протоны, но и ядра свинца. При этом на короткое время будет образовываться плотный и очень горячий сгусток вещества - кварк- глюонная плазма. Изучение этого явления углубит теорию сильных взаимодействий, что важно для ядерной физики и астрофизики.
Изучение фотон- адронных и фотон- фотонных столкновений. Эти частицы порождаются ультрарелятивистким протоном и сопровождают его.
Проверка экзотических теорий. В последние годы выдвинуто много необычных и интересных идей устройства нашего мира: модели с дополнительными пространственными измерениями, с новыми типами взаимодействий, модели с сильной гравитацией, кварко- лептонные (преонные) модели и так далее. Их называют экзотическими моделями. Вместе с тем, они не противоречат имеющимся экспериментальным данным. Поскольку они позволяют прогнозировать результаты работы на LHC, есть возможность отсеять некоторые из предложенных конструкций, а оставшиеся, возможно, укрепят свои позиции.
Что уже принес нам LHC.
Открыт бозон Хиггса. Но ситуация с его свойствами неоднозначна. Требуется дополнительное исследование на более высоких уровнях энергии и поиск дополнительных хиггсовских бозонов с другими значениями масс.
Впервые за десятилетия поисков был зарегистрирован сверхредкий распад Bs мезонов. С ним, возможно, будут найдены некоторые эффекты вне Стандартной модели. Ситуация будет уточняться при высокой энергии.
Детектор LHCb зарегистрировал поляризацию фотонов в распаде b- кварка на s- кварк. Это один из тех распадов, которые весьма редко идут в рамках Стандартной модели. Здесь, возможно, проявляется эффект новой физики. Необходимо уточнить тип поляризации вылетевшего фотона.
Участники эксперимента ATLAS представили новые данные по процессу рождения двух w-бозонов, что подтверждало ранее заявленные данные детектора CMS, но тут же последовало указание на некорректный учет процессов с участием адронов и теперь есть необходимость сравнения результатов на энергии 13 - 14 ТэВ.
LHCb сообщает о наблюдении прямого CP- нарушения с участием протон- антипротонных пар. То есть не все равно для нашего мира распадается частица или античастица. Неясно, откуда это неравноправие. Но многие теории новой физики базируются именно на объяснении этого явления. До сего времени эти нарушения касались только мезонов. Недавно появились сообщения о распаде с участием протонов, в котором тоже наблюдается прямое CP- нарушение. Впервые заявлены в нарушении барионы и это дает возможность изучить динамику данного эффекта.
Данные LHCb по B-мезонам весьма серьезны. Все они имеют устойчивую тенденцию отклоняться от теории в одной конкретной величине. Статистическая значимость высока - до 4,5 стандартных отклонений, то есть мы на пороге нового явления. Только новые эксперименты позволят говорить однозначно.
Новые горизонты.
На первом этапе Коллайдер работал при относительно небольших энергиях столкновения протонов, порядка 8 ТэВ и первые результаты звучат обнадеживающе. Но требуется подтверждение уже имеющимся результатам и есть надежда на получение новых там, где сейчас они отсутствуют, при большем значении энергии в эксперименте. В марте 2015 года LHC планируют вывести на более высокий энергетический уровень - порядка 13 ТэВ, возможно несколько больше. При этом горизонты исследований расширяются на порядок. Какой будет итог сказать заранее нельзя, но вариантов у новой физики много и все надеются на подтверждение собственных гипотез.
Литература:
Дремин И. М. "Физика на Большом адронном коллайдере"// УФН, журнал, 2009, N6
Иванов И. "Столкновения на встречных курсах"// Вокруг света, 2007, N7
Коллинз Грэм "Фабрика открытий"// В мире науки, 2008, N5
WWW.elementy.ru