Спросите Итана: правда ли, что получено доказательство существования нового, пятого взаимодействия?

Модель ускорителя, использовавшегося для бомбардировки лития в ключевом эксперименте. Находится на входе в Институт ядерных исследований в Венгерской академии наук.

Стандартная модель физики элементарных частиц – частицы и их взаимодействия, описывающие всё, что мы когда-либо создали или столкнули в лаборатории – удивительно хорошо справляются с предсказанием всего, что видно в наших экспериментах. От материи до антиматерии, от синтеза до расщепления, от безмассовых до самых тяжёлых частиц – эти фундаментальные правила прошли все экспериментальные проверки. Но возможно, в следах радиоактивного распада скрывается неожиданное явление. Наш читатель из Венгрии хочет знать:

Новости по поводу открытия пятого взаимодействия у нас в Венгрии очень широко освещаются. Мне было бы интересно узнать вашу точку зрения по этому поводу. Думаете ли вы, что это правда, или относитесь к этому скептически?

Если вы встречали сообщения об открытии пятого взаимодействия, то эксперимент, о котором идёт речь, основан на чрезвычайно нестабильном изотопе: бериллий-8.

Если говорить о составляющей нас материи, то самой важной частью головоломки, вероятно, будет этот изотоп. Наше Солнце, и почти все звёзды, получают энергию, синтезируя гелий из водорода, в частности – гелий-4, с двумя протонами и двумя нейтронами. На поздних стадиях жизни ядро Солнца, заполненное гелием, будет сжиматься и разогреваться, и пытаться создавать ещё более тяжёлые элементы. Если соединить два ядра гелия-4, можно получить ядро с четырьмя протонами и четырьмя нейтронами: бериллий-8. Единственная проблема состоит в чрезвычайной нестабильности бериллия-8, который через 10^-17с распадается обратно на два гелия-4. Только в ядрах красных гигантов плотность материи достаточно высока для того, чтобы можно было вовремя подогнать третье ядро гелия-4 и создать углерод-12, и успешно строить всё более тяжёлые элементы.

А иначе, как во всех лабораторных экспериментах, бериллий-8 просто распадается обратно на два ядра гелия. Но наши экспериментальные технологии весьма хитроумны, и даже в короткие моменты его жизни мы можем не только создать бериллий-8 другим путём (бомбардируя литий-7 протонами), но и создать его в возбуждённом состоянии, в котором перед распадом он испустит высокоэнергетический фотон. Этот фотон будет обладать достаточной энергией, чтобы суметь распасться на пару электрон/позитрон – что происходит со всеми фотонами достаточно больших энергий. Измеряя относительный угол между электроном и позитроном, вы ожидаете, что он будет тем меньше, чем больше была энергия фотона. Это следует из законов сохранения энергии и импульса, с примесью небольших случайных величин, зависящих от ориентации распада.

Но венгерская команда под началом Атиллы Краснахоркай обнаружила вовсе не это. С увеличением угла доля электронов и позитронов должна уменьшаться. Но учёные обнаружили неожиданное относительное увеличение при угле разлёта в 140º, что может означать многое. К примеру:
• Ошибка в эксперименте, когда измеряется не сигнал, а что-то другое.
• Ошибка анализа, когда применяют неправильный срез (вы решаете, какие данные стоит оставить, а какая информация будет бесполезным загрязняющим шумом, от которого необходимо избавиться).
• Если результат надёжный, это может говорить о существовании новой частицы: либо композитной, состоящей из частиц стандартной модели, либо, что интереснее, полностью новой, фундаментальной.

Данные кажутся весьма неплохими. Конечно, та же венгерская команда объявляла об открытии «неровностей» в распадах возбуждённого бериллия-8, но не с такой степенью значимости – 1 шанс из 10¹¹ на то, что это статистическая случайность (6,8-σ) – и не с таким количеством событий: сотни событий во многих каналах поверх фона. Только массивная нестабильная частица распадалась бы с другим углом разлёта, нежели безмассовые частицы (фотоны), ожидаемые в этом эксперименте – и это пока главное объяснение «неровности» графика на угле в 140º. Если это окажется правдой. Краснахоркай выражает большую уверенность в своём результате, измеренном при помощи оборудования, основательно обновлённого по сравнению с их предыдущими экспериментами.

Результат может и не оправдаться; возможно, его не получится воспроизвести; это может быть ошибкой эксперимента. Это лучшая часть, но и одновременно груз научной работы: даже самые надёжные и прорывные результате необходимо подтвердить независимо. Но если это новая частица, это может изменить всё. Энергия покоя частицы — 17 МэВ/c² — весьма интересна. Её спин равен 1, что говорит о том, что это бозон (или нечто подобное). Она перемещается на достаточно большое расстояние для того, чтобы измерить её время жизни, 10^-14 секунд – что говорит нам о том, что это слабый, а не электромагнитный, распад – то есть, это не связанное состояние лептонов. Это не может быть комбинация двух кварков, поскольку она слишком лёгкая – в ином случае она должна была бы быть раз в 10 тяжелее. Если это реальная частица, это, скорее всего, какой-то совершенно новый тип частиц, не входящий в Стандартную модель.

Такое объяснение подходит ко всему:
• Оно привело бы к появлению именно такого угла разлёта (140º) продуктов распада, из-за отношения её массы покоя к массам электрона и позитрона, на которые она распадается.
• Оно дало бы нам первый выход за пределы Стандартной модели, который, по нашему мнению, должен существовать, и который мы до сих пор не нашли.
• В потенциале она могла бы даже объяснить аномальное значение магнитного момента мюона, более тяжёлого родственника электрона.

Но это только если частица реально существует. Результат в 6,8-σ был бы захватывающим в случае слепого анализа, но команда учёных специально искала частицу такого типа. В науке существует история обнаружений именно того, что искали учёные, даже когда на самом деле этого не существовало. Фокке де Боер – проводивший эти эксперименты до Краснахоркай – обнаружил такие частицы, но так и не смог подтвердить и воспроизвести свои результаты.

Мы знаем, что за пределами Стандартной модели должна существовать новая фундаментальная физика, новые частицы и новые взаимодействия, и возможно, в этом эксперименте был обнаружен первый намёк на это. Но, отвечая на вопрос читателя, я одновременно и скептически отношусь к результатам, и могу представить себе, что они реальны. Таким же качеством отличались как открытие нейтрино, перемещавшегося быстрее света на OPERA, так и открытие бозона Хиггса в экспериментах CMS/ATLAS. Только время и дополнительные исследования определят, какого типа окажется этот новый результат, в потенциале способный оказаться частицей тёмной материи.