След бозона на Хигс – напред към новата физика

Започна формирането на колаборация за търсенето на скрити частици.

Откриването на последната от предсказаните от Стандартния модел фундаментални частици – Хигс бозона, потвърди успешността на Стандартния модел като основна теория на физиката на елементарните частици и завърши неговия строеж.

Авторите на предсказанието получиха Нобелова награда за 2013 година, станала поредната в редицата премии за основателите на Стандартния модел.

И все пак съществуват няколко големи проблема, надлежно установени експериментално, които теорията все още не може да обясни. Това са наличието на маса у неутриното и техните взаимни преобразувания (осцилации); съществуването на тъмната материя (в Стандартния модел няма подходящ кандидат за ролята на частицата на тъмната материя) и отсъствието на антиматерия във Вселената, докато в експерименти на ускорители, например при сблъсък на протони, се раждат равно количество материя и антиматерия.

Решението на такива задачи е прието да се наричат търсене на нова физика или физика извън пределите на Стандартния модел (Beyond the standard model, BMS).

Един от вариантите за решение на тези проблеми, ненарушаващи подхода на Стандартния модел, е въвеждането на още три фундаментални елементарни частици – тежки неутрални лептони (Heavy Neutral Leptons, HNL), наричани също фермиони на Майорана.

Теорията, обосноваваща този подход, е публикувана през 2005 година от руския физик Михаил Шапошников и неговите колеги. Днес той е професор във Федералната политехническа школа на Лозана (Швейцария) и ръководител на лабораторията по физика на елементарните частици и космология.

За това, че тази теория изисква минимални в сравнение с други теории допълнения към Стандартния модел, тя е получила названието неутринен минимален стандартен модел (the neutrino minimal Standard Model, νMSM).

Първият вид от новите неутрино (N₁) с маса няколко килоелектронволта ще позволи да се обясни тъмната материя. Върху тяхното откриване са насочени програми с експерименти в Космоса, първата от които – Astro-H – ще бъде пусната през 2015 година. Още три програми се намират на стадий обсъждане, техният старт е набелязан за 2019 – 2020 година.

Двете други нови неутрино (N_2,3) с маси в интервала 0,5–40 гигаелектронволта ще решат проблемите с обичайните неутрино и антиматерията. Експерименти по тяхното търсене ще бъдат провеждани на ускорители.

Именно за търсене на тези още неоткрити частици на ускорител е насочен новият проект SHiP (Search for Hidden Particles – „търсене на скрити частици“), предложен от колектив от 16 физици през октомври 2013 година. През юни тази година в Цюрих се състояла първата среща на учените по проекта ShiP. На тази среща е започнало формирането на екип, който ще се заеме с неговата практическа разработка.

Проектът предизвикал голям интерес в ЦЕРН, където бил проведен семинар в комитета SPSC, след което на авторите му било предложено да разработят към март 2015 година детайлно техническо предложение, на основата на което да бъде взето решение за възможностите за неговата реализация. Ако проектът бъде одобрен, то към 2018 година ще бъде разработен проект и ще започне строителство, което се планира да завърши през 2022 година. Самият експеримент се планира да бъде проведен през 2023–2027 г.

Това не е първият експеримент по търсене на подобни частици, но предлаганият подход припокрива постигнатата в други експерименти област на изследваните маси и величини на взаимодействията на няколко порядъка, което вселява определен оптимизъм.

На срещата през юни в Цюрих се обсъждала физическата програма на проекта – какви още задачи може да се решат в нея. Този въпрос е важен за обосноваване на проекта. Тъй като HNL може и да не бъдат открити, затова в проекта трябва да бъде заложена „гарантирана физика“, тоест изследвания, които със сигурност ще бъдат успешни.

В дадения случай това може да са изследвания на неутрино. Любопитно е, че при тяхното откритие във Фермилаб били регистрирани общо 9 събития, като 2 от тях били отнесени към фоновите, а тук се очакват около 3500 събития, което ще позволи например уверено да се раздели неутриното от антинеутриното (което по същество още никой не е правил). Обсъждали се също технологиите за експеримента и обработките на данни.

На срещата е започнало формиране на екип-колаборация, която ще се заеме с практическата разработка на техническото предложение. Желание да участват в колаборацията SHiP са заявили 41 групи учени от 15 страни, включително ЦЕРН и институти от Русия, Швейцария, Великобритания, Италия, Франция, Германия, Холандия, Япония, САЩ и др., както и руската търсачка Яндекс. Формирането на колаборацията се очаква да приключи през септември 2014 г.

В проекта SHiP се планира използването на вече съществуващия в ЦЕРН ускорител SPS (Super Proton Synchrotron, Протонен суперсинхротрон с дължина на пръстена 6,9 км), който сега служи за предварително ускоряване на протони до енергия 400 гигаелектронволта за последваща инжекция в Големия адронен колайдер (LHC). Времето на живот на сноп в LHC е средно 20 часа. През това време, докато сноповете „бягат“ в LHC, SPS се опразва и може да бъде използван за други експерименти.

До неотдавна той се е използвал за раждането на обичайни неутрино, които по специална линия се извеждат в подземната лаборатория Гран Сасо в Италия, на 750 км от ЦЕРН. Но тези експерименти вече са приключили.

Използването на съществуващ ускорител значително ще понижи цената на проекта. Той ще изисква 100-120 млн. швейцарски франка за линията за извеждане на протоните и голяма зала (с размери около 20х20х100 м) с изследователска инсталация.

Сноп от 5х10¹³ протона на всеки 7 секунди ще се подава на мишена. За 4 години работа това ще позволи да се съберат от порядъка на 2х10²⁰ протонни взаимодействия. Очаква се, че в експеримента събитията, свързани с тези частици, ще бъдат изключително редки.

Както отбелязват физиците, ако им провърви, то от 10²⁰ събития ще има 5-10 търсени. Такова малко количество на полезните събития поставя много големи изисквания към организацията на експеримента и обработката на данните.

Тъй като търсените частици много слабо взаимодействат с веществото, между мястото на попадане на протоните във волфрамовата мишена и детектора се предполага поставянето на специална защита от желязо или олово, поглъщаща повечето ненужни частици. По такъв начин ще се анализират само много слабо взаимодействащите частици, способни да преодолеят тази защита. Това ще позволи избавянето от голямо количество фонови събития.

Самата инсталация ще изглежда като огромен вакуумен цилиндър с дължина 50 метра и диаметър 5 метра. Майорановите неутрино, преминали защитата, ще се разпадат тук на две частици, например пи-мезон и мюон. Изследователите трябва да идентифицират частиците, на които се е разпаднало неутриното, и да открият неговата маса.

За тази цел детекторът ще съдържа магнитен спектрометър, мюонов детектор, електромагнитен калориметър и скоростни камери. Принципно инсталацията не е много сложна, тъй като всички необходими технологии вече съществуват. Сложността се заключава в откриването на много редки събития, за което се предполага използването на компютърните технологии за обработка на данни на Яндекс.

Какви загадки останаха пред учените след Хигс бозона

Буквално преди две години физиците от Европейския център за ядрени изследвания (ЦЕРН) обявиха пред света, че най-после са уловили Хигс бозона. По-точно те заявиха за това, че едновременно на два детектора на Големия адронен колайдер с голяма вероятност, която можем да приравним към увереност, са открили кандидат за ролята на тази частица.

По този начин учените оправдаха милиардите евро, хвърлени от човечеството за строителството на Големия адронен колайдер, тъй като тъкмо заради тази частица той е строен най-напред.

Съществуването на бозона (така се наричат частиците с нулев, или цял спин) било предсказано от британския теоретик Питър Хигс още през 1964 година. За Стандартния модел, който днес описва законите в света на елементарните частици, неговото наличие е задължително.

По тази причина откритието на екипите от ЦЕРН стана триумф и стъпка в новата физика, пълна, както се очаква, с нови изненади. Този триумф обаче имал силен привкус на разочарование: всъщност потвърдена е само справедливостта на Стандартния модел, а новата физика така и си остава засега стара и по неизвестни причини все още не е поднесла изненади.

Впрочем изненадите, с които имат да се оправят физиците, са повече от достатъчно и без Стандартния модел. Нека да си ги припомним.

Тъмната материя

За тъмната материя астрономите заговорили още в първата половина на миналия век, за да обяснят странностите на звездните наблюдения. Швейцарецът Фриц Цвики, забелязвайки, че звездите в нашата галактика се движат прекалено бързо, че взаимното привличане да не им позволи да се разлетят, предположил, че в Млечния път има още някакво вещество, което със своята гравитация задържа звездите на техните орбити в галактичния диск.

Това вещество е невидимо, то не изпуска електромагнитно лъчение и не взаимодейства с него.

Независимо че Вселената почти 90% се състои от тъмна материя и енергия, какво всъщност представляват те, досега е неизвестно. Хипотезите за тъмната материя са много, но повечето изследователи са склонни да смятат, че това са облак масивни частици, способни само на слаби взаимодействия – така наречените вимпове (WIMP – weakly interacting massive particles).

Що за частици са те, никой не знае и с търсенето им сега са заети в САЩ и Европа едновременно няколко колаборации. От време на време ту едни, ту други се обаждат, че вимповете са открити, но впоследствие се отмятат и откритията им се признават за съмнителни.

Впрочем съществува и гледна точка, че никаква тъмна материя не съществува, а наблюдаваните несъответствия може да се обяснят с Модифицираната Нютонова динамика (MOND), според която законът на гравитационното взаимодействие има друга форма на големи мащаби. Но и тази теория не се потвърждава в пълна степен от наблюденията.

Тъмната енергия

Още по-зле стоят нещата с тъмната енергия. В края на 90-те години на миналия век астрономите изведнъж открили, че Вселената се разширява с ускорение, сякаш някаква сила тласка галактиките, като че ли съществува гравитация със знак минус. За това откритие била дадена Нобелова награда.

Относно свойствата на тъмната енергия съществуват две мнения. Общоразпространената версия се свежда до това, че това е енергия, запълваща Вселената с неизменна плътност. По-малко е разпространена идеята, че енергийната плътност на тъмната енергия може да се променя в пространството и времето.

През март миналата година бяха публикувани данни от наблюденията на космическата обсерватория „Планк“, според които 95,1% от общата маса-енергия, наблюдавана във Вселената, се състои от тъмна енергия (68,3%) и тъмна материя (26,8%). Така че за наблюдаваната (барионна) материя остават по-малко от някакви си жалки 5%.

Гравитационните вълни

На учените предстои да се оправят и с гравитационните вълни, с чието съществуване аха-аха да се похвалят физиците от експеримента BICEP2 на Южния полюс.

Гравитационните вълни са предсказани от теорията на относителността. Според Айнщайн те трябва да се излъчват от всяка маса, движеща се с ускорение. Проблемът е само в това, че за регистрирането на тези вълни или масата, или ускорението, или и едното, и другото трябва да са прекалено големи – иначе няма как да бъдат регистрирани.

Физиците са сигурни в съществуването на гравитационните вълни: за това свидетелстват наблюденията на двойни системи пулсар и по-компактен компаньон. Ускореното въртене в такива системи напълно съвпада с предсказанията на ОТО – със загуба на енергия за излъчване на гравитационни вълни.

Асиметрия на материя и антиматерия

Не по-малка загадка е и асиметрията на материята и антиматерията във Вселената. Смята се, че в момента на Големия взрив тяхното количество е било еднакво. Но днес известната ни Вселена почти напълно е лишена от антиматерия.

Съществува надежда, че тази загадка може да бъде разгадана в обозримо бъдеще. През април немски физици успяха с небивала висока точност да измерят магнитния момент на протона. Сега те планират да направят същото с антипротона. Според изследователите дори най-малката разлика между магнитния момент на частицата и античастицата може да хвърли светлина върху причините за загадъчната антисиметрия.

Масата на неутриното

Накрая преврат във физиката може да извърши фактът, че такава изначално безмасова частица като неутриното все пак има маса, макар и много малка – тя тежи около милиард пъти по-малко от протона.

За отсъствието на маса на неутриното заявил през 1930 година Волфганг Паули – човекът, изказал хипотеза за съществуването на подобна частица, същото постулира и Стандартният модел. Но след като я открили и установили, че съществуват минимум три различни вида неутрино, като започнали да ги регистрират на свръхчувствителни детектори, физиците се натъкнали на необичайно явление – един вид неутрино по пътя към Земята може да се превръща в друг. Такова нещо, заключили учените, може да има само в случай че неутриното има маса.

Днес никой не разбира защо тя съществува, никой не може да обясни защо тя е толкова малка и накрая никой днес не може да определи величината на тази маса.

Както и да стоят нещата, наличието на маса у безмасова частица, нейната безумна нещожност говорят за съвършено нови явления. Ясно е също, че Стандартният модел е непълен и трябва да се търсят нови явления извън неговите предели. Тоест физиците да се занимават с това, с което мечтаят да се занимава новата физика.