Кварки и элементарные частицы
05 Нояб 2015 16:53 #242
Не пустят. Чтобы оказаться у кормушки, надо хоть диссер приличия ради защитить. Впрочем, может, впитер уже справился с этой, прямо скажем, не самой трудной задачей? Тогда шансы есть.
Данные ATLAS и CMS, набранные буквально за пару месяцев 2016 года, уже показывают нам столь же подробный «портрет» хиггсовского бозона, как и весь трехлетний сеанс Run 1. Так, в двух основных каналах распада бозона — на два фотона и на ZZ-пару — хиггсовский сигнал уже виден на уровне статистической значимости 10σ. А это значит, что можно приступать к исследованию всех остальных его свойств.
Напомним, что объединенные данные ATLAS и CMS по итогам сеанса Run 1 — а они окончательно оформились всего два месяца назад — позволили надежно увидеть хиггсовский сигнал в пяти каналах распада. Это распады на два фотона (γγ), на ZZ-пару с последующим их распадом на четыре лептона, на WW-пару, на тау-лептонную пару и, наконец, на кварковую пару b-анти-b. Вероятности этих распадов различаются на порядки (см. страничку Хиггсовский бозон с массой 125 ГэВ: ожидания Стандартной модели), но столь же различны и условия их измерения. В первых четырех каналах распада статистическая значимость в объединенных данных превысила 5σ, в последнем — осталась пока на скромном уровне 2,6σ, несмотря на то, что этот распад доминирующий. Для удобства, вот табличка с окончательными данными Run 1 ATLAS и CMS........
Кварки и элементарные частицы
11 Авг 2016 14:36 #245
pirron wrote:
Не пустят. Чтобы оказаться у кормушки, надо хоть диссер приличия ради защитить. Впрочем, может, впитер уже справился с этой, прямо скажем, не самой трудной задачей? Тогда шансы есть.
Последние данные, указывающие на возможное открытие ранее неизвестных субатомных частиц могут свидетельствовать о пятом фундаментальном взаимодействии природы, согласно статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters от физиков-теоретиков из Калифорнийского Университета в Ирвине (UCI).
Американские физики в своей работе подтвердили возможное открытие пятого фундаментального взаимодействия. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, кратко о нем сообщает Калифорнийский университет в Ирвине (США).
Коллаборация LHCb, изучающая на Большом адронном коллайдере рождение и распады прелестных адронов, методично выполняет пункт за пунктом своей научной программы и регулярно открывает новые эффекты. Вот и сейчас в своей новой статье Measurement of matter-antimatter differences in beauty baryon decays коллаборация сообщает, что ей впервые удалось обнаружить эффекты CP-нарушения в распадах барионов.
CP-нарушение — это несимметричность законов микромира относительно замены всех частиц на античастицы (C-преобразование) и одновременного отражения всех координатных осей (P-преобразование). Именно благодаря CP-нарушению во Вселенной вещество преобладает над антивеществом и, как следствие, существуют звезды, планеты и мы с вами. То, что законы элементарных частиц сильно несимметричны относительно одного лишь C- или одного лишь P-преобразования, это не так удивительно, поскольку это заложено устройством Стандартной модели. Но вот слабая несимметричность относительно одновременного преобразования C и P — это загадка, ибо Стандартная модель этого не требует. Описать этот эффект в ее рамках можно (и за это, кстати, была дана половина Нобелевской премии по физике за 2008 год), объяснить — нет.
Эффекты CP-нарушения известны физикам уже более полувека. Проявляются они, например, так. Физики изучают определенный распад какой-то частицы и сравнивают его с аналогичным распадом ее античастицы (все дочерние частицы тоже должны быть с приставкой анти-). Если их вероятности не совпадают или же если они имеют разное угловое распределение, то делается вывод о наблюдении различий между свойствами материи и антиматерии — это и есть CP-нарушение.
До сих пор все такие эффекты наблюдались исключительно в распадах и осцилляциях мезонов, то есть частиц, состоящих из кварка и антикварка. В принципе, прелестные барионы (адроны, состоящие из трех кварков, в том числе и b-кварка) тоже могли бы демонстрировать такие эффекты, но их наблюдать намного сложнее. Во-первых, таких барионов рождается меньше, чем мезонов, а во-вторых, их распады более сложные и потому эффекты там более тонкие. Тем не менее теоретики ожидали, что достаточно прозорливый эксперимент (и здесь реверанс в сторону LHCb) мог бы их заметить.
В настоящее время самым тяжелым элементом периодической таблицы является оганессон с атомной массой 294. Он получил официальное название в 2016 году. Как и каждый элемент периодической таблицы, оганессон всю свою массу получает от протонов и нейтронов (типов барионов), которые сами состоят из трех кварков каждый. Важная деталь всей известной барионной материи в том, что ее кварки так крепко держатся за счет сильной силы, что их нельзя разделить. Частицы, созданные связанными кварками (вроде протона и нейтрона), называются адронами, соответственно и барионная материя, ими образованная, называется адронной
Но оганессон может быть последним в своем роде. В новой работе ученые прогнозируют, что элементы с массой более 300 могут состоять из свободно текущих «верхних» и «нижних» кварков — таких же, из которых состоят протоны и нейтроны, только не связанных по три. Новый тип материи, «вещества из верхних и нижних кварков», или udQM, будет стабильным для чрезвычайно тяжелых элементов, которые могут существовать за пределами нынешней периодической таблицы. Если произвести ее на Земле, кварковая материя может стать новым источником энергии.
Кварки и элементарные частицы
18 Июнь 2018 05:53 #252
ВладимырычЪ, там есть хитрая штука. Предел существования элементов в самом низу таблицы обусловлен тем, что при увеличении числа нуклонов и электронов возрастает "радиус" атома. При этом линейная скорость электронов на самой внешней оболочке должна по всем "требованиям" превысить скорость света. Что, как известно, низззя...
Американские физики-теоретики проанализировали аномальные события, зарегистрированные детектором ANITA, и показали, что их нельзя объяснить в рамках Стандартной модели: согласно расчетам ученых, вероятность таких событий в модели не превышает 10−12. Кроме того, физики нашли похожие аномальные события в данных детектора IceCube. Ученые считают, что эти события были вызваны гипотетическим стау-лептоном — суперсимметричным партнером тау-лептона, который очень слабо взаимодействует с веществом. Статья принята к публикации в Physical Review D, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.
Несмотря на то, что Стандартная модель хорошо описывает процессы, которые происходят с частицами низких энергий — например, теоретическое и экспериментальное значение аномального магнитного момента электрона отличается менее чем на 10−8, — она имеет ряд проблем, которые указывают на незавершенность теории. В частности, ученые до сих пор не могут разрешить проблему конфайнмента кварков, проквантовать гравитацию и объяснить наблюдаемое значение космологической постоянной. Поэтому физики-теоретики разрабатывают огромное число альтернативных теорий, призванных решить проблемы Стандартной модели (самый известный, но не самый удачный пример такой теории — теория суперструн), а физики-экспериментаторы пытаются подтвердить эти теории на практике. К сожалению, заметить «новую физику» в эксперименте очень сложно, поскольку она проявляется только на больших энергиях.
Тем не менее, ученые пытаются «дотянуться» до высоких энергий с помощью ускорителей частиц или космических лучей. В частности, именно такими исследованиями занимается группа ANITA (Antarctic Impulse Transient Antenna), наблюдающая за космическими нейтрино, энергия которых превышает 1018 электронвольт. Когда такие частицы пролетают через диэлектрик (например, через лед или лунный грунт), они испускают когерентное радиоволновое черенковское излучение. Впервые этот эффект теоретически описал в 1962 году советский физик Гурген Аскарьян, а в 2001 году его подтвердили на практике. Группа ANITA предложила использовать эффект Аскарьяна, чтобы изучить нейтрино высоких энергий, и с этой целью запустила над Антарктидой гелиевый шар с массивом антенн, который отслеживает радиоволновые импульсы, исходящие от антарктического льда. Подробнее про работу детектора ANITA можно прочитать здесь. К сожалению, за десять лет работы детектор не зарегистрировал ни одного сигнала, отвечающего высокоэнергетическим нейтрино, однако обнаружил другие интересные эффекты.
В самом деле, более 90 процентов коротких радиоимпульсов (длиной порядка 6 наносекунд и частотой от 30 до 1000 мегагерц) были поляризованы, причем их поляризация была скоррелирована с направлением магнитного поля Земли. Это указывало на то, что импульсы образовались одновременно с атмосферными ливнями, запущенными космическими частицами с энергией более 1017 электронвольт, и отразились от поверхности Земли, прежде чем быть зарегистрированными детектором. Это подтверждалось тем, что импульсы приходили в направлении горизонта (отклонение от горизонтали менее шести градусов). Тем не менее, за десять лет наблюдений ученым удалось зафиксировать два импульса, которые пришли с противоположной стороны Земли: в 2008 году угол между зенитом и направлением радиосигнала составил 117 градусов, а в декабре 2014 года — 125 градусов. Эти импульсы связаны с «восходящими» атмосферными ливнями, которые были запущены частицами с энергией около 6×1017 электронвольт, прошедшими сквозь толщу Земли — 5700 и 7200 километров соответственно. В то же время, в Стандартной модели нет частиц, которые способны беспрепятственно пройти через такую толщу вещества на таких высоких энергиях — даже нейтрино, которые известны своей «неуловимостью», на энергиях порядка 1018 электронвольт начинают активно взаимодействовать с веществом.
Группа ученых под руководством Стефана Коту (Stephane Coutu) теоретически исследовала два аномальных события, зарегистрированных детектором ANITA, и подтвердила, что их невозможно объяснить, ограничиваясь частицами Стандартной модели. Для этого физики численно смоделировали путь тау-нейтрино сквозь толщу Земли с помощью программы NuTauSim. Эта программа учитывает процессы, входящие в Стандартную модель, то есть моделирует многократное взаимодействие нейтрино с ядрами через заряженный и нейтральный ток, в ходе которого частица теряет энергию и превращается в тау-лептон и обратно. Последнее такое превращение, происходящее в конце пути, запускает атмосферный ливень и приводит к образованию радиоволнового импульса. Запуская несколько сотен миллионов нейтрино с энергией порядка 1018 электронвольт по траекториям, которые отвечают событиям 2008 и 2014 года, физики выяснили, что вероятность воспроизвести экспериментальные данные составляет p1 ≈ 4×10−7 и p2 ≈ 3×10−8 соответственно. Для нейтрино с бо́льшими энергиями вероятности еще меньше, а нейтрино с меньшими энергиями приводят к другим радиоимпульсам. Получается, что итоговая вероятность того, что оба аномальных события вызваны тау-нейтрино, примерно равна 10−12, что исключает сценарий Стандартной модели с достоверностью 7 сигма.
Помимо этой оценки, ученые отмечают, что траектории аномальных событий имеют непропорционально «крутые» углы по отношению к зениту. Другими словами, физики предположили, что источники тау-нейтрино высоких энергий равномерно распределены по небесной сфере, и рассчитали вероятность получить аномальное событие в зависимости от его траектории. Очевидно, что аномальные события с зенитным углом, близким к 90 градусам, более вероятны, поскольку в них нейтрино проходят меньший путь сквозь толщу Земли. Зарегистрированные ANITA события имели гораздо большие углы, а следовательно, их вероятность была меньше — по оценкам ученых, их вероятности примерно равны p1 ≈ 7×10−5 и p2 ≈ 4×10−6. Эти рассуждения также исключают «стандартный» сценарий с достоверностью около 6 сигма.
Кроме того, исследователи предложили искать похожие аномальные события в данных других детекторов нейтрино, чтобы независимо «подтвердить» нестандартность сценария — и, как ни странно, им действительно удалось найти такие подтверждения. В частности, физики обнаружили в данных детектора IceCube три события, которые предположительно отвечали нейтрино с энергиями порядка 1015 электронвольт и имели зенитный угол около 120 градусов. С помощью все той же программы NuTauSim физики оценили вероятности этих событий и выяснили, что они примерно равны p ~ 10−3÷10−5, то есть события противоречат Стандартной модели с достоверностью около 3–4 сигма. Впрочем, ученые отмечают, что эти ограничения слишком слабые, чтобы подтвердить гипотезу о частицах за пределами Стандартной модели, хотя и служат хорошим аргументом в ее пользу.
Наконец, физики предложили кандидата на частицу, которая могла вызвать аномальные события с такими большими энергиями и зенитными углами. Исследователи отметили, что такая частица должна быть связана с тау-нейтрино и тау-лептонами, поскольку в конце пути она должна вызвать характерный атмосферный ливень и радиоволновый импульс. Вдобавок к этому, она должна слабо взаимодействовать с нуклонами на энергиях порядка 1018 электронвольт и иметь достаточно большое время жизни, чтобы не распасться по пути сквозь толщу Земли. Всеми этими свойствами обладает стау-лептон — гипотетический суперпартнер тау-лептона (подробнее про суперсимметрию можно прочитать в статье Алексея Левина «Больше, чем симметрия»). По оценкам ученых, сечения рассеяния такой частицы на нуклоне составляет примерно 100 пикобарн при энергии порядка 1018 электронвольт, а время жизни — около 10 наносекунд. Этого достаточно, чтобы практически беспрепятственно пройти Землю насквозь. Более того, некоторые теоретические статьи уже предсказывали аномальные события, которые зарегистрировал детектор ANITA.
В настоящее время энергия ускорителей частиц не может сравниться с энергией космических лучей — например, Большой адронный коллайдер разгоняет протоны «всего» до 1013 электронвольт, тогда как космические частицы имеют энергию вплоть до 1019 электронвольт. Тем не менее, ускорители позволяют набрать большую статистику, а следовательно, с их помощью тоже можно искать отклонения от Стандартной модели. Время от времени физики действительно находят намеки на такие отклонения: например, в апреле прошлого года группа LHCb сообщила об аномалии в распадах прелестных нейтральных мезонов, которая указывает на существование лептокварков. В мае того же года группа ATLAS зафиксировала сигнал, который отвечает сверхтяжелой частице с массой около трех тераэлектронвольт и имеет значимость более трех сигма. Более подробно про поиски «нестандартной» физики в редких процессах можно прочитать в материалах «Раритеты микромира» и «Раритеты микромира: Возвращение неуловимых».
В ноябре прошлого года группа IceCube впервые измерила сечение взаимодействия тау-нейтрино с нуклонами в диапазоне энергий от 6 до 380 тераэлектронвольт (1012 электронвольт). Для этого ученые использовали в качестве детектора Землю, то есть измеряли интенсивность сигнала нейтрино в зависимости от азимутального угла и связывали его ослабление с рассеянием нейтрино на нуклонах.
Физики-теоретики из Германии использовали теорию асимптотически безопасной квантовой гравитации, чтобы рассчитать отношение масс двух самых тяжелых кварков — t-кварка и b-кварка. Для этого ученые отталкивались от известных значений абелева гиперзаряда и констант электрослабой и сильной связи и прослеживали поток ренормализационной группы вплоть до планковских масштабов энергии. Кроме того, исследователи показали, что отношения зарядов и масс кварков связаны между собой. Статья опубликована в Physical Review Letters и находится в свободном доступе.
Одно из важнейших свойств Стандартной модели — это перенормируемость, то есть возможность избавляться от бесконечно расходящихся величин. Чтобы понять, в чем заключается идея перенормировок, сначала надо понять, откуда в теории берутся расходимости. Основным объектом Стандартной модели, как и любой квантовой теории поля, являются пропагаторы — функции, которые показывают вероятность перехода между различными конфигурациями квантовых полей. Например, вероятность частицы переместиться между двумя заданными точками за фиксированный промежуток времени. Для свободных теорий, в которых частицы не взаимодействуют друг с другом, найти пропагаторы очень легко — достаточно выписать и решить уравнения теории. Если же добавить в теорию взаимодействие, которое «перемешивает» поля — например, электромагнитное поле и поле электронов, — уравнения резко усложняются, и точно решить их становится невозможно. Чтобы справиться с этой проблемой, физики считают, что поля свободных теорий слабо «цепляются» друг за друга, а затем вычисляют поправки к пропагаторам свободной теории; чем более высокие порядки учитываются, тем точнее получается результат. Наглядно такое вычисление можно представить в виде диаграмм Фейнмана. При низких энергиях этот подход очень хорошо работает — в частности, теоретическое значение магнитного момента электрона совпадает с экспериментом с точностью порядка 10−12.
К сожалению, при больших энергиях (то есть на маленьких расстояниях) поправки к пропагаторам бесконечно растут, что противоречит экспериментальным данным. Чтобы убрать эти расходимости, физики определенным образом «подкручивают» напряженности полей и постоянных теории, которые входили в исходные уравнения движения, заставляя их зависеть от масштаба энергий. Другими словами, в результате этой процедуры ученые выделяют в пропагаторах физически осмысленные вклады и добавляют в исходный лагранжиан теории специально подобранные контрчлены, которые сокращают «нефизичные» расходимости. В этом заключается смысл процедуры перенормировки. Если число контрчленов конечно, то теория «хорошая», и с ее помощью можно рассчитать значения наблюдаемых величин. Стандратная модель относится именно к такому типу теорий. Если же расходимости можно убрать только с помощью бесконечного числа контрчленов, то предсказательная сила теории равна нулю, поскольку она требует вводить бесконечное число свободных параметров. Это случай квантовой гравитации. Физики пытались решить эту проблему, разработав принципиально новые экзотические теории — например, теорию струн или теорию петлевой квантовой гравитации. Тем не менее, до сих пор не существует экспериментов, которые подтвердили бы эти теории.
С другой стороны, в конце 1970-х годов Стивен Вайнберг заметил, что неперенормируемость теории квантовой гравитации не обязательно означает, что с ее помощью нельзя рассчитывать значения наблюдаемых величин. Вместо того чтобы бороться с расходимостями, возникающими в стандартных методах, Вайнберг предложил «зайти» с противоположного конца — описать теорию с помощью конечного числа конечных параметров на больших энергиях, а потом продолжить зависимости в область низких энергий. Такое свойство теории Вайнберг назвал асимптотической безопасностью по аналогии с асимптотической свободой Квантовой хромодинамики, в которой константа связи стремится к нулю на больших энергиях. Математический инструмент, который позволяет выполнить такие расчеты, предложили в начале 1990-х годов Кристоф Веттерих (Christof Wetterich) и Мартин Рейтер (Martin Reuter). В 2009 году Михаил Шапошников и Кристов Веттерих рассчитали с помощью теории асимптотически безопасной гравитации предполагаемую массу бозона Хиггса, которая составила примерно 126 гигаэлектронвольт, что практически в точности совпадает с результатами последовавших измерений на Большом адронном коллайдере. Кроме того, теория с асимптотической безопасностью практически не нужно вводить новые частицы, как это предлагает делать большинство альтернативных теорий вроде теории струн. Это делает идею асимптотической безопасности очень привлекательной для теоретиков.
В новой статье физики Астрид Эйххорн (Astrid Eichhorn) и Аарон Хельд (Aaron Held) использовали асимптотически безопасную гравитацию, чтобы объяснить огромный разрыв масс между двумя самыми массивными кварками — t-кварком (mt ≈ 173 гигаэлектронвольт) и b-кварком (mb ≈ 4,9 гигаэлектронвольт). В Стандартной модели массы кварков возникают из-за того, что частицы «цепляются» за поле Хиггса, равномерно заполняющего Вселенную (подробнее про этот эффект можно прочитать в материале «С днем рождения, БАК!»). Сила, с которой кварки «цепляются» к полю, определяется юкавскими константами связи yb и yt, значения которых невозможно рассчитать в рамках Стандартной модели. С другой стороны, эти константы должны быть связаны с абелевым гиперзарядом соотношением yt2 — yb2 = ⅓gy2, которое выполняется для очень больших энергий (много больше планковского масштаба). В то же время, абелев гиперзаряд связан с параметрами квантовой гравитации. Используя экспериментально измеренное значение этого заряда, вычисляя бета-функцию в однопетлевом приближении и прослеживая поток ренормализационной группы до планковских масштабов энергий, физики рассчитали значение одного из этих параметров. Значение второго параметра ученые зафиксировали исходя из массы b-кварка. Наконец, исследователи рассчитали массу t-кварка, используя найденные значения параметров, и получили величину около mt ≈ 178 гигаэлектронвольт, что хорошо согласуется с экспериментом.
Кроме того, из расчетов физиков следует еще три интересных замечания. Во-первых, постоянные квантовой гравитации для абелевых и неабелевых полей должны быть очень близки — это согласуется с тем, что гравитационные поля одинаково сильно взаимодействуют с частицами разной природы, если они имеют одинаковую массу. Во-вторых, характерный масштаб энергий, на которых гравитационные вклады «выключаются», совпадает с планковской энергией. В-третьих, заряды t-кварка и b-кварка должны относиться как Qt/Qb = −2. Если бы хотя бы одно из этих трех предположений не выполнялось, отношение масс кварков получились бы совершенно другим — исправить расхождение не помогло бы даже изменение параметров квантовой гравитации.
Несмотря на то, что эффекты квантовой гравитации должны очень слабо проявляться на наблюдаемых масштабах энергии, физики все равно пытаются их обнаружить, измеряя тонкие эффекты с высокой точностью. Например, отслеживают расстояние до Луны и колебания приливных сил, перепроверяют классические предсказания ОТО и сравнивают временну́ю задержку между фотонами, приходящими от далеких гамма-всплесков. Как и ожидалось, ни один из этих экспериментов не нашел отклонений от Стандартной модели или ОТО.
Физики-теоретики из Германии рассчитали поправки к закону Кулона и энергии электронов в атоме водорода, связанные с рождением виртуальных аксионов. Несмотря на то, что Квантовая электродинамика с аксионами относится к неперенормируемым теориям, ученым удалось получить выражения, которые хорошо работают при низких энергиях. К сожалению, проверить эти предсказания в эксперименте пока нельзя, поскольку величина эффекта примерно в сто тысяч раз меньше погрешности измерительных приборов. Статья опубликована в Physical Review D, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.
Впервые аксионы были предложены в 1977 году в рамках механизма Печчеи-Квинн, который решил проблему сохранения CP-четности в сильных взаимодействиях. Эта проблема заключается в том, что лагранжиан Квантовой хромодинамики (КХД) содержит члены, которые явным образом нарушают CP-инвариантность теории, то есть изменяются при одновременной замене частиц на античастицы и зеркальном отражении системы. Такое нарушение приводит к ряду эффектов, которые не наблюдаются на практике — например, придает нейтрону электрический дипольный момент порядка 10−39 кулон на сантиметр, тогда как экспериментальное ограничение составляет менее 10−46 кулон на сантиметр. Устранить это противоречие в рамках КХД нельзя. Чтобы «очистить» теорию, Роберто Печчеи и Хелен Квинн добавили в нее новое массивное псевдоскалярное поле, которое «высаживает в ноль» нужные параметры. Подобная модификация напоминает механизм Хиггса, с помощью которого физики исправили недостатки теории Ферми и построили перенормируемую теорию электрослабых взаимодействий. К сожалению, в отличие от механизма Хиггса, теория Печчеи-Квинн до сих пор не подтверждена.
В самом деле, чтобы подтвердить теорию на практике, нужно независимым образом «почувствовать» предсказанное ей псевдоскалярное поле. Самый простой способ сделать это — зарегистрировать частицу-переносчик нового взаимодействия, гипотетический аксион. К сожалению, аксионы слабо взаимодействуют с частицами Стандартной модели и имеют маленькую массу, а потому зарегистрировать их очень сложно. Большинство аксионных детекторов полагается на аксион-фотонное взаимодействие, которое модифицирует уравнения Максвелла и позволяет аксиону распадаться на два фотона в присутствии сильного магнитного поля. Подстраивая частоту колебаний электромагнитного поля и «слушая» возникающие резонансы, такие детекторы могут заметить распады аксионов. Теоретически, аксионное поле также можно увидеть с помощью различных косвенных эффектов — например, оценивая производство аксионов на ранних этапах эволюции Вселенной. Тем не менее, до сих пор ученые так и не смогли зарегистрировать аксионы. Поэтому физики ищут другие способы, которые могли бы дать гораздо более высокую чувствительность.
Группа ученых под руководством Селим Вильяльба-Чавеса (Selym Villalba-Chávez) рассмотрела один из таких способов, который полагается на модификацию закона Кулона за счет аксион-фотонного взаимодействия. Теоретически, такую модификацию можно очень точно измерить с помощью атомной спектроскопии или экспериментов, напоминающих эксперимент Генри Кавендиша по измерению гравитационной постоянной. В частности, некоторые физики считают, что с помощью аксионов можно решить «загадку радиуса протона» — противоречие между экспериментами с обычным и мюонным водородом.
Чтобы уточнить закон Кулона, сперва надо найти поляризационный оператор фотона, то есть поправку к его свободному пропагатору. Грубо говоря, пропагатор — это корреляционная функция, которая описывает вероятность перехода частицы между двумя точками пространства. В первом приближении, такой переход происходит «безоблачно» — фотон вылетает из стартовой точки, интерферирует сам с собой и достигает конечного пункта путешествия. Однако в квантовой теории поля нужно учитывать и менее вероятные процессы, связанные с поляризацией вакуума, то есть с рождением и уничтожением виртуальных частиц. Чтобы описать распады фотона, которые происходят во время путешествия, нужно вычислить его поляризационный оператор. Из-за поляризационных поправок пропагатор фотона изменяется, и его электрический заряд начинает зависеть от энергии. Чем больше энергия фотона, тем чаще он распадается на электрон-позитронные пары и тем меньше его эффективный заряд. Поэтому потенциал Кулона в Квантовой электродинамике (КЭД) изменяется и превращается потенциал Юлинга, а уровни энергий электронов в атоме водорода сдвигаются. В принципе, виртуальные аксионы тоже должны модифицировать фотонный пропагатор и закон Кулона, однако до сих пор ученые такие поправки не рассматривали.
Основное препятствие, которое мешало физикам вычислить аксионные поправки к фотонному пропагатору — это неперенормируемость аксионной КЭД. Другими словами, в этой теории возникает бесконечное число расходимостей, которые нельзя «поглотить» в константы перенормировки. Поэтому в теорию приходится добавлять бесконечное число свободных параметров, которые нельзя рассчитать теоретически, и аксионная КЭД теряет самодостаточность. Тем не менее, группа Вильяльба-Чавеса заметила, что бо́льшую часть свободных параметров можно «выбросить», если заранее ограничить точность вычислений некоторой постоянной величиной. В этом случае в неперенормируемой аксионной КЭД можно вычислить поправки к закону Кулона с помощью стандартных приемов перенормируемой теории. В то же время, для практических приложений, таких как измерение спектра атома водорода, бесконечная точность не требуется. Следовательно, с помощью «урезанной» аксионной КЭД можно сделать вполне проверяемые на практике предсказания.
Чтобы упростить расчеты, физики добавили в теорию «фиктивные» духовые поля и параметры Вильсона, которые описывают поведение теории на больших энергиях. Затем ученые рассчитали однопетлевые поправки к пропагаторам фотона и аксиона и нашли перенормированные значения массы аксиона и электрического заряда. В результате параметры теории стали зависеть от масштаба энергий. Используя уточненные значения параметров, исследователи вычислили поправки к закону Кулона. Оказалось, что в аксионной КЭД потенциал ведет себя степенным образом: δV/V ~ 1/(mr)2, где m — масса аксиона, а r — расстояние до заряда. Это отличается от «чистой» КЭД, в которой электрический потенциал экспоненциально падает при приближении к заряду.
Наконец, с помощью найденного потенциала физики рассчитали поправки к энергии электронов в атоме водорода и показали, что они пропорциональны логарифму отношения константы аксионной связи и боровского радиуса: δε ~ g2/aB3log(g/aB2). Теоретически, это отношение можно использовать для экспериментального измерения константы связи. К сожалению, если подставить в формулу значения константы, предсказанное различными моделями аксионов, получится, что поправка к энергии не превышает 10−12 миллиэлектронвольт. Это в сто тысяч раз меньше, чем погрешность самых точных измерений. Поэтому на практике предсказания ученых пока проверить нельзя — и тем более на них нельзя списать «загадку радиуса протона». Тем не менее, ученые считают, что их наработки можно будет использовать и в других задачах, в которых возникают поляризационные операторы.
Аксионы очень слабо взаимодействуют с частицами Стандартной модели, а потому ученые рассматривают их в качестве кандидатов на роль темной материи. К сожалению, в течение долгого времени физики не могли проверить эту гипотезу — чувствительность детекторов была слишком маленькой, и они в принципе не могли уловить частицы, предсказанные различными моделями аксионов. В апреле этого года группа ADMX впервые достигла такой точности, при которой удалось проверить узкий диапазон масс аксионов, предсказанных теорией Кима — Шифмана — Вайнштейна — Захарова. В июле физики-теоретики из Университета Брауна предложили новый, более точный способ поиска аксионов, который основан на прецессии спина электронов в присутствии аксионов и сильного электрического поля. А в августе британские исследователи численно смоделировали эволюцию аксионной звезды и рассчитали ее фазовую диаграмму — теоретически, такая звезда может взорваться и испустить сильный поток релятивистских аксионов, которые можно зарегистрировать на Земле.
Из всей богатой программы нейтринных исследований можно выделить самые запомнившиеся результаты 2018 года. В июне на крупнейшей конференции по физике нейтрино были представлены новые результаты эксперимента NOvA (см. подробную новость Эксперимент NOvA получил первые — и неожиданные — результаты с пучком антинейтрино). Были улучшены измерения параметров смешивания, подтверждено, что данные отдают предпочтение нормальному порядку нейтринных масс, а также была сделана попытка измерить эффекты CP-нарушения. Дело в том, что этот эксперимент может работать в двух режимах, переключаясь с нейтрино на антинейтрино и обратно, и это позволяет ему увидеть разницу в поведении частиц и античастиц. К своему удивлению, экспериментаторы обнаружили, что данные намекают на совсем иную величину CP-нарушения, чем та, что получалась в других экспериментах. Пока что погрешности велики, так что ни о каком серьезном парадоксе пока речи не идет, но в будущем придется разобраться с этим намеком на расхождение. Так или иначе, ответ на этот и многие другие вопросы будет получен в следующем десятилетии, когда заработают грандиозные нейтринные установки Hyper-Kamiokande и DUNE
Еще большую загадку предъявили физикам обнародованные в мае 2018 года данные эксперимента MiniBooNE. История эта тянется еще с начала 2000-х, когда эксперимент LSND по результатам многолетних наблюдений обнаружил довольно сильный намек на осцилляции электронных антинейтрино в мюонные на дистанции всего в десятки метров. Для энергий нейтрино в десятки МэВ это необычно короткая дистанция, и с тремя известными сортами нейтрино так получиться не могло. Отчаянные оптимисты воспринимали эти данные как намек на новый, четвертый тип нейтрино, а пессимисты списывали все на несовершенство эксперимента.
Одно из самых ошеломляющих открытий современной физики состоит в том, что эволюция звезд и прочих космических объектов, а также Вселенной в целом, неразрывно связана с законами взаимодействий элементарных частиц. Известно несчетное количество связей между микромиром и астрофизическими и космологическими явлениями, и каждый год появляются новые. Вот и 2018 год принес несколько громких астрофизических результатов, которые нашли свое отражение в современной ФЭЧ.
Начнем с темы, которая на слуху уже несколько десятилетий, но в которой, несмотря на впечатляющий экспериментальный прогресс, так и не удается сделать главное открытие — поиск частиц темной материи. Темная материя существует, ее влияние прослеживается в целом ряде независимых друг от друга астрофизических и космологических процессов, но до сих пор не удается отловить отдельные частицы, из которых она состоит.
В 2018 году поиск продолжился, и в мае появились данные эксперимента XENON1T (arXiv:1805.12562). Сигнала от рассеяния частиц темной материи с массой от нескольких ГэВ до ТэВ по-прежнему не видно, что позволило наложить еще более сильные ограничения сверху на сечение их рассеяния с обычным веществом. Этот отрицательный результат, разумеется, не закрывает темную материю саму по себе — ведь заранее неизвестно, какова масса ее частиц и как они взаимодействуют с атомами, — но он заставляет теоретиков отбрасывать некоторые теоретические модели, согласно которым частицы темной материи уже должны быть видны.
Среди многочисленных отрицательных результатов по поиску частиц темной материи выделяется смелое заявление коллаборации DAMA/LIBRA о безоговорочной регистрации этих частиц. История эта длится больше 10 лет (см. нашу новость 2008 года Эксперимент DAMA по-прежнему «видит» частицы темной материи), статистическая значимость сигнала уже превышает 10σ, однако практически никто, кроме самой коллаборации, в это заявление не верит.
Дело в том, что другие, намного более чувствительные детекторы темной материи уже закрыли ту область параметров, на которую указывает сигнал DAMA/LIBRA. Правда, тут есть одно «но». Рабочим материалом в DAMA/LIBRA были кристаллы йодида натрия, а в современных, более чувствительных экспериментах — другие вещества (например, ксенон). Но никто заранее не знает, как именно частицы темной материи должны взаимодействовать с атомами.
Мы уже упоминали, что темная материя «видна» в самых разных космических явлениях и на самых разных этапах эволюции Вселенной. Самые сильные свидетельства относятся к ранней Вселенной (структура реликтового излучения, красное смещение z около 1000) и к космологически современной эпохе (z порядка 1). Однако не исключено, что мы способны зарегистрировать влияние темной материи и в эпоху «космического рассвета», в эру первых звезд (z ≈ 20). В начале 2018 года в журнале Nature были опубликованы данные установки EDGES, которая изучала небо в радиодиапазоне и обнаружила линию поглощения на частоте около 75 МГц (рис. 6). Это открытие замечательное, долгожданное, возможно, даже заслуживающее Нобелевской премии, — но в целом не неожиданное.
Суть, вкратце, вот в чем. Когда загорелись первые звезды, они осветили Вселенную. Их свет, пролетая сквозь огромные облака атомарного водорода, перебрасывал электроны в такое состояние, что атомы водорода начинали поглощать реликтовое излучение с длиной волны 21 см (частота излучения — 1420 МГц). В итоге в спектре микроволнового излучения возник небольшой провал. Поскольку все это происходило в эпоху, отвечающую красному смещению z около 20, то к настоящему времени частота, на которой возник провал, уменьшилась в 1 + z раз и приходится примерно на 70 МГц. Именно его и зарегистрировал эксперимент EDGES, подтвердив представления астрофизиков о той ранней эпохе
Напоследок — самое вкусное. Три года назад человечество научилось «слушать» Вселенную с помощью гравитационных волн. Первые зарегистрированные гравитационно-волновые всплески были порождены слиянием черных дыр, и никакой особенной пользы для физики частиц они не принесли. Но вот событие GW170817 — гравитационно-волновой всплеск, пришедший на Землю 17 августа 2017 года, — оказался особенным: он был сигналом от слияния двух нейтронных звезд. Это событие породило не только гравитационные волны, но и гамма-всплеск, оптическое и ультрафиолетовое свечение, а чуть позже — рентгеновский сигнал и радиовспышку. В октябре 2017 года вышла совершенно шикарная статья за авторством нескольких десятков (!) коллабораций, в которой, как в детективе, перед нами разворачивается охота за уликами и раскрывается картина происшествия.
Physicists in the College of Arts and Sciences at Syracuse University have confirmed that matter and antimatter decay differently for elementary particles containing charmed quarks.
Несимметричненько в нашем мире...
Distinguished Professor Sheldon Stone says the findings are a first, although matter-antimatter asymmetry has been observed before in particles with strange quarks or beauty quarks.
He and members of the College's High-Energy Physics (HEP) research group have measured, for the first time and with 99.999-percent certainty, a difference in the way D0 mesons and anti-D0 mesons transform into more stable byproducts.
Mesons are subatomic particles composed of one quark and one antiquark, bound together by strong interactions.
"There have been many attempts to measure matter-antimatter asymmetry, but, until now, no one has succeeded," says Stone, who collaborates on the Large Hadron Collider beauty (LHCb) experiment at the CERN laboratory in Geneva, Switzerland. "It's a milestone in antimatter research."
The findings may also indicate new physics beyond the Standard Model, which describes how fundamental particles interact with one another. "Till then, we need to await theoretical attempts to explain the observation in less esoteric means," he adds.
Кварки и элементарные частицы
22 Март 2019 06:49 #264
limarodessa wrote:
Да читал, читал я с утра в ленте научных новостей эту хрень...
Ну а зачем два раза то читали?
Летит новый русский на самолете в Германию. Стюардесса объявляет:
- Наш самолет через несколько минут приземлится в городе Баден-Баден.
НР (недовольный голос, распальцовка):
- Ну, в натуре, че два раза-то повторять? Не лохи же летят.
Кварков девять. Один из них, самый массивный, распадается так быстро, что не успевает соединиться с другими в мало-мальски стабильную частицу. Из остальных восьми состоит все то, что мы видим вокруг. Из-за особенностей сильного взаимодействия кварки не могут отдалиться друг от друга на заметное расстояние и, поэтому, их нельзя наблюдать по отдельности.
Церновская коллаборация LHCb 26 марта объявила об обнаружении в распадах Λb-бариона трех пентакварков — «экзотических» структур, состоящих из пяти кварков. Эксперимент LHCb 2019 г. уточнил результаты, полученные в 2015 г., и благодаря лучшей точности, зарегистрировал не два пентакварка, как было заявлено ранее, а три.
Подобные эксперименты пока опережают возможности теоретиков по объяснению происходящего. Сейчас невозможно предсказать не только основные параметры пентакварков, но, даже, могут ли они существовать — мощности современных компьютеров для этого недостаточно.
Исследовательская группа XENON Collaboration впервые наблюдала распад ксенона-124. Этот изотоп ксенона формально радиоактивен, но период его полураспада примерно в триллион раз превышает возраст Вселенной.
В данном случае ядро атома захватило два электрона из своих электронных оболочек. В физике это называется двойным электронным захватом. В результате два протона из атомного ядра превратились в нейтроны, выделившаяся при этом энергия была унесена двумя электронными нейтрино, а оставшиеся электроны опустились на освободившиеся места во внутренних оболочках и излучили разницу энергии в виде гамма-квантов, которые и были замечены детектором.
