Pasaulē

"Apgāzīs mūsdienu fizikas likumus". Ko ieraudzīja Lielajā hadronu kolaiderī

© Depositphotos / SakkmesterkeКрасочное деление частиц в коллайдере
Красочное деление частиц в коллайдере - Sputnik Latvija, 1920, 31.10.2021
Zinātnieki cer, ka pētījumi palīdzēs atbildēt uz mūsdienu fizikas lielajiem jautājumiem. No kā sastāv tumšā matērija? Kāds ir matērijas un antimatērijas līdzsvara traucējumu iemesls?
2017. gadā zinātnieki, kas piedalījās LHCb eksperimentā Lielajā hadronu kolaiderī Eiropas kodolpētījumu centrā (CERN), ziņoja par novirzēm no B-mezonu sabrukuma standarta modeļa. Fiziķi visā pasaulē sastinga, gaidot jaunas elementārdaļiņas vai iepriekš nezināma dabas spēka atklāšanu. Taču vispirms bija vajadzīgi papildu izmēģinājumi un aprēķinu pārbaudes. Beidzot pētnieki no LHCb iepazīstināja ar jaunākajiem datiem. Par to, vai kaut kas tajos pārkāpj pieņemtos priekšstatus par materiālās pasaules struktūru, portālā RIA Novosti pastāstīja Vladislavs Strekopitovs.

Fiziskie spēki un standarta kmodelis

Zināmi četri fundamentālie mijiedarbības tipi: gravitācijas, elektromagnētiskais, stiprs un vājš. Šie spēki vada Visumu, no mikropasaules līdz galaktikām.
Standarta modelis apraksta elementārdaļiņu stipro un vājo elektromagnētisko mijiedarbību. Tā ir plašāk pazīstamā teorija, lai arī neņem vērā gravitāciju, tumšo enerģiju un matēriju.
Пара сверхмассивных черных дыр в центре галактики OJ 287 - Sputnik Latvija, 1920, 01.01.2020
Visuma sirds: kas kopīgs kvantu datoriem un "melnajiem caurumiem"
Standarta modelī ir divu veidu daļiņas: fermioni, kas veido matērijas "ķieģelīšus", un bozoni, kas vada mijiedarbības un piespiež fermionus savākties kopā vai, gluži pretēji, izklīst uz dažādām pusēm. Uz tām balstās visi dabas procesi – no radioaktīvā sairuma līdz gaismas staru lūšanai un ķīmiskajām reakcijām.
Kvarki, kas veido protonus un neitronus, ir fermioni. Identificēti sešu veidu fermioni, jeb, kā saka fiziķi, "aromāti". Katram atbilst antidaļiņa ar pretējiem kvantu skaitļiem. Mezoni ir nestabilas daļiņas no vienlīdzīga kvarku un antikvarku skaita. Turklāt pie fermioniem pieder leptoni: elektroni, mioni, tau leptoni, kā arī neitrīno.
Izpētot kvarkus, fiziķi noskaidroja, ka tos var sadalīt trīs paaudzēs, kas atšķiras vienīgi ar savu masu. Tāpat izturas leptoni.
© Depositphotos / EdesignuaElementārdaļiņu klasifikācija saskaņā ar Standarta modeli
Стандартная модель элементарных частиц  - Sputnik Latvija, 1920, 31.10.2021
Elementārdaļiņu klasifikācija saskaņā ar Standarta modeli

Pamata kvarku mīkla

Lai Standarta modeli apstiprinātu eksperimentāli un, iespējams, paplašinātu to, Eiropas kodolpētījumu centrā (CERN) Ženēvā uzbūvēja lielāko pretkkūļu paātrinātāju pasaulē – Lielo hadronu kolaideri (LHK). Galveno uzdevumu tas izpildīja, kad 2012. gadā tur tika atklāts Higsa bozons, taču darbs turpinās. Dažādas zinātnieku grupas paralēli veic LHK vairākus ilgtermiņa eksperimentus. Viens no tiem, LHCb ir veltīts b-kvarku – smago trešās paaudzes kvarku asimetrijas pētījumiem. Galvenais jautājums – vai pastāv atšķirības dažādu paaudžu kvarku un leptonu mijiedarbīām.
Pamata kvarki, tāpat kā B-mezoni, smagākas daļiņas, ir nestabili. Vidēji tie dzīvo aptuveni pusotru sekundes triljono daļu, pirms sairst elektronos un mionos. Standarta modelis paredz, ka procesā nepiedalās nekādi citi spēki, tikai vājie, bet rezultātā jāveidojas vienlīdzīgam skaitam elektroknu un mionu. To nolēma pārbaudīt LHCb dalībnieki.
Снимок туманности Кошачья Лапа и Омар, сделанный на широкоугольном телескопе, входящем в комплекс VLT - Sputnik Latvija, 1920, 03.01.2019
Kvantu Visums: kā pārvērst kosmosu par gigantisku datoru
"Līdz šim visas dažādu paaudžu leptonu mijiedarbības bija absolūti universālas. Un pēkšņi mēs ieraudzīgām kaut kādas norādes par anomālijām trešās paaudzes kvarku sairumā līdz pirmās un otrās paaudzes leptoniem," paskaidroja viens no eksperimenta LHCb dalībniekiem, fizikas un matemātikas zinātņu doktors Andrejs Goluvtins.
"Elektrons pieder pie pirmās paaudzes leptoniem, bet smagākais mions – pie otrās," komentēja Kodolpetījumu apvienotā institūta Kodolproblēmu laboratorijas vecākais zinātniskais līdzstrādnieks Igors Boiko, kurš tāpat strādāja LHK. – Standarta modelis paredz, ka dažādu paaudžu daļiņām ir vienāds mijiedarbības spēks, vienkāršāk sakot, lādiņš, un tās atšķiras tikai ar masu. Ja tiks konstatētas daļiņu paaudžu starpības, tas apgriezīs kājām gaisā mūsdienu fiziku, nāksies izstrādāt absolūti jaunu teoriju Standarba modeļa vietā."
Zinātnieki cer, ka kustība šajā virzienā palīdzēs atbildēt uz tā saucamajiem mūsdienu fizikas lielajiem jautājumiem: no kā sastāv tumšā matērija, kāds ir matērijas un antimatērijas līdzsvara traucējumu iemesls.
© SputnikNo smagā b-kvarka un vieglā d-antikvarka sastāvoša B-mezona sairuma divi varianti, kā rezultātā veidojas K-mezons (kaons), kas sastāv no s-kvarka un d-aktikvarka. Pirmajā gadījumā b-kvarka sairuma procesā veidojas pretēji uzlādētu mionu pāris, otrajā – elektrona un pozitrona pāris.
Два варианта распада одной из разновидностей В-мезонов, состоящих из тяжелого b-кварка и легкого d-антикварка с образованием К-мезона (каона), состоящего из s-кварка и d-антикварка. В первом случае при распаде b-кварка образуется пара противоположно заряженных мюонов, во втором — пара электрон — позитрон - Sputnik Latvija, 1920, 31.10.2021
No smagā b-kvarka un vieglā d-antikvarka sastāvoša B-mezona sairuma divi varianti, kā rezultātā veidojas K-mezons (kaons), kas sastāv no s-kvarka un d-aktikvarka. Pirmajā gadījumā b-kvarka sairuma procesā veidojas pretēji uzlādētu mionu pāris, otrajā – elektrona un pozitrona pāris.

Precizitātei ir nozīme

Pirmie dati, kas norāda uz dažāda elektronu un mionu skaita veidošanos B-mezonu sairuma procesā, parādījās 2017. gadā, tomēr vērtējuma precizitāte tolaik bija aptuveni 2,5 sigmu līmenī, proti, kļūdas iespēja sasniedza gandrīz 1%, tātad par atklājumu nevarēja būt ne runas.
"Kritēriji fizikā ir ļoti stingri. Atklājums ir tad, ja ir vairāk nekā 5 sigmas, kļūdas ticamība ir mazāka par vienu trīsmiljono procenta daļu. Līdz tam piesardzīgi saka, ka saņemts norādījums," atzīmēja Boiko.
Eksperimentu LHCb turpināja un šī gada martā publicēja noteiktākus datus. Tika izanalizēti triljoniem sadursmju un aprēķināts, ka mioni b-kvarku sairumā veidojas retāk nekā elektroni – apmēram 0,85 pret 1.
Lielais hadronu kolaideris. Foto no arhīva - Sputnik Latvija, 1920, 01.05.2016
Lielo hadronu kolaideri apturējis sīks dzīvnieciņš
Šoreiz precizitāte sasniedza 3 sigmas, un kļūdas ticamība samazinājās līdz 0,3%. Tik un tā ar to nepietiek atklājumam. Turklāt runa bija par ierobežotu novērojumu masīvu.
Tagad sniegta statistika pilnā apjomā. Taču zinātniekus, kas cerēja uz Standarta modeļa apgāšanu, gaidīja vilšanās. Aprēķini parādīja, ka sairuma procesi, kuros veidojas mioni, notiek apmēram par 70% biežāk salīdzinājumā ar elektronu veidošanos, taču ar precizitāti tikai 1,5 sigmas apmērā. Gala rezultāti izrādījās pa vidu starp iepriekš novērotajām Standarta modeļa novirzēm un prognozēm. Proti, leptonu universalitātes pārkāpums nav ne apstiprināts, ne apgāzts.
Lai pieliktu punktu jautājumā, jāturpina novērojumi, uzskata zinātnieki. Patlaban eksperiments LHCb tiek modernizēts. Drīz vien pētnieki varēs reģistrēt sadursmes, kas notiek daudz lielākā ātrumā, tātad mērījumu precizitāte palielināsies.
© CERN Document ServerLielā hadronu kolaidera detektors LHCb
Детектор LHCb Большого адронного коллайдера - Sputnik Latvija, 1920, 31.10.2021
Lielā hadronu kolaidera detektors LHCb

Jauns spēks vai jauna daļiņa

Pat pieņemot, ka rezultāts apstiprināsies, tas nenozīmē, ka Standarta modelis ir kļūdains. Novēroto efektu var skaidrot ar kaut kāda piektā spēka iesaistīšanos, kas dažādi ietekmē elektronus un mionus, vai jaunu, pagaidām nezināmu daļiņu.
"Ir modeļi, kas prognozē jaunu daļiņu klasi – leptokvarkus, kas izjauc elektronu un mionu simetriju, taču to vajadzīgi citas klases eksperimenti, lai tos atrastu. Ja mēs tos ieraudzīsim, iespējams, atradīsim atbildes uz lielajiem jautājumiem par tumšo matēriju un antimatēriju," konstatēja Andrejs Goluvtins.
Hipotēze par leptokvarkiem – daļiņām, uz kuru apmaiņas rēķina kvarki un leptoni var mijiedarboties un pāriet viens otrā, pēc zinātnieka domām, patiešām var pastāvēt. Iepriekš, kad tika atklāti dažādu paaudžu neitrīno universalitātes pārkāpumi, fiziķi, cenšoties izskaidrot oscilācijas – dažādu paaudžu neitrīno savstarpēju pāreju, - ierosināja meklēt jaunu daļiņu – sterilos neitrīno. Pagaidām tie nav atrasti.
Ziņu lente
0
Vispirms jaunieVispirms vecie
loader
LIVE
Заголовок открываемого материала