Физики из Южного методистского университета (ЮМУ) в г. Даллас добились нового точного измерения ключевой субатомной частицы, открывающего двери к лучшему пониманию некоторых из самых глубоких тайн нашей Вселенной.
Исследователи вычислили новую величину для критической характеристики - массу топ-кварка (истинный кварк).
Кварки являются составными частицами протонов и нейтронов, представляющие собой почти все видимое вещество. Физикам было известно об огромной массе топ-кварков, но они столкнулись с большими трудностями, пытаясь четко вычислить ее.
"Недавно вычисленная величина истинного кварка поможет в руководстве физикам в разработке новых теорий", - сказал Роберт Кехо (Robert Kehoe), профессор кафедры физики Южного методистского университета. Кехо руководит группой, выполнившей данное измерение.
Вопросы о массе топ-кварка имеют большое значение потому, как частица является высокочувствительным образцом и ключевым инструментом в оценке конкурирующих теорий о природе материи и судьбы Вселенной.
В течение двух десятилетий физики работали над улучшением измерения его массы и над сужением данной величины.
Бозон Хиггса - вершина новейшей фундаментальной частицы
"Новая величина от Южного методистского университета подтверждает обоснованность последних измерений другими физиками", - уточнил Кехо.
Данный факт также добавляет растущую неопределенность по поводу аспектов физической "Стандартной модели".
"Стандартная модель" представляет собой сбор полученных физических теорий, постоянно пересматривающихся, с целью объяснить саму Вселенную и то, как ее мельчайшие строительные блоки взаимодействуют друг с другом. Проблемы со "Стандартной моделью" еще предстоит решить. К примеру сила тяжести еще успешно не интегрирована в определенные рамки.
"Стандартная модель" утверждает, что топ-кварки (часто именуемые просто "топ") являются центральными в двух из четырех фундаментальных сил в нашей Вселенной. Они представляют собой электрически слабую силу, при помощи которой частицы увеличивают массу, и мощность силы, определяющую взаимодействие кварков. Электрослабая сила управляет общими явлениями такими, как свет, электричество и магнетизм. Мощность взаимодействия регулирует атомные ядра и их структуру, в добавление к протонам и нейтронам в ядрах, которые состоят из кварков.
Истинные кварки играют главнейшую роль наряду с бозоном Хиггса - новейшей фундаментальной частицей в физике на примере электрослабой теории удерживания воды.
Некоторые ученые полагают, что топ-кварки могут быть особенными потому, что их масса может подтвердить или поставить по удар теорию электрослабой силы. При наступлении второго случая откроются двери к тому, что физики называют "новая физика", где теории о частицах и нашей Вселенной выходят за рамки "Стандартной модели".
Другие ученые предполагают, что топ-кварки также могут служить ключом к объединению электромагнитных и слабых взаимодействий протонов, нейтронов и кварков.
Кроме того, как только непосредственно можно будет обнаружить кварк, топ-кварк будет испытывать теорию сильного взаимодействия "Стандартной модели".
"Таким образом, топ-кварк действительно выдвигает обе теории. Его масса особенно интересна потому, что знание о ней способно подтолкнуть нас к новым горизонтам или даже выйти за границы, о которых теоретики не подозревают. Наши экспериментальные ошибки или неопределенности так малы, что это действительно заставляет теоретиков стараться понять влияние массы кварка. Мы должны наблюдать бозон Хиггса и его непосредственное взаимодействие с истинным кварком, для этого нам необходимо измерять обе частицы, как можно точнее", - добавил Кехо.
"Общественное восприятие по поводу открытия бозона Хиггса говорило о том, что все сделано", - сказал Кехо. "Но это не конец. На самом деле это только лишь начало и топ-кварки являются ключевым инструментом для выяснения недостающих фрагментов головоломки".
Измерение Южного методистского университета достигает удивительного уровня точности
Для того чтобы сузить измерение топ-кварка, исследователь и доктор Южного методистского университета Хуанжао Лю (Huanzhao Liu) взял стандартную методологию для измерения истинного кварка и повысил точность некоторых параметров. Он также улучшил калибровку анализа данных.
"Лю достигнул удивительного уровня точности", - отметил Кехо. "Его новый метод для оптимизации анализа также применим к анализу данных других частиц помимо топ-кварков, что делает данную методологию полезной в области физики элементарных частиц в целом".
"Оптимизация ЮМУ может быть использована для более точного понимания бозона Хиггса, который объясняет, почему материя имеет массу", - сказал Лю.
Бозон наблюдали впервые в 2012 году, и физики остро хотят понять его природу.
"Эта методика имеет свои преимущества, включая понимание взаимодействия бозона с другими частицами. Мы надеемся, что другие воспользуются ей", - пишут ученые. "С ее помощью мы достигли улучшения в измерении на 20 процентов. Вот, что я думаю по этому поводу. Всем нравится iPhone за 199 долларов. Если когда-нибудь компания Apple скажет нам, что она снизит цену на 20 процентов, что бы мы почувствовали относительно данной покупки за меньшую цену"?
Поток топ-кварков является столпом Большого Взрыва
Топ-кварки, которые редко встречаются в настоящее время, были гораздо более распространены сразу после Большого Взрыва 13,8 млрд. лет назад. Тем не менее, истинный кварк - это единственный кварк из шести различных видов, который можно наблюдать непосредственно. По этой причине физики-экспериментаторы сосредотачиваются на характеристиках топ-кварков, чтобы лучше понять их в повседневном значении.
Для изучения истинных кварков физики генерируют их в ускорителях частиц, таких как Тэватрон - мощный ускоритель энергии частиц департамента США, управляемый Национальной лабораторией в Иллинойсе. Также для этих целей используют Большой адронный коллайдер в Швейцарии по проекту Европейской организации ядерных исследований.
Измерение ЮМУ приближается к данным, собранным совместным экспериментом более 500 физиков со всего мира и названным DZero. Данные DZero по топ-кваркам были получены из протон-антипротонных столкновений на Тэватроне, который лаборатория Ферми закрыла в 2011 году.
Новое измерение на Тэватроне является наиболее точным в своем роде и является конкурентоспособным с аналогичными, полученными с помощью Большого адронного коллайдера. Недавно масса топ-кварка была точно измерена, но имеются некоторые расхождения. Результат ЮМУ способствует нынешней средней мировой величине больше, чем мировой рекорд всех измерений, также из лаборатории Ферми. Кажущееся несоответствие должно разрешиться", - заявил Кехо.
Критический вопрос: Вселенная не обязательно стабильна во всех энергиях
"Возможность измерения массы топ-кварка полностью случайна, потому что данная величина вместе с массой бозона Хиггса скажет нам, является ли Вселенная стабильной или нет", - сказал Кехо. "Сегодня это стало одним из наиболее важных вопросов".
Стабильная Вселенная является единственной, пребывающей в состоянии с низкой энергией, где частицы и силы взаимодействия ведут себя в соответствии с теоретическими предсказаниями. Это, в отличие от метастабильности или неустойчивости, означает более высокое энергетическое состояние, в котором вещи изменяются внезапно и непредсказуемо. Данное состояние может привести к разрушению Вселенной. Бозон Хиггса и топ-кварк являются двумя наиболее важными параметрами для ответа на этот вопрос", - сказал Кехо.
Недавние измерения бозона Хиггса и топ-кварка указывают, что Вселенная не обязательно должна быть стабильна во всех энергиях.
"Мы хотим, чтобы "Стандартная модель" или любая другая теория могли предсказать физические процессы при всех энергиях", - сказал Кехо. "Однако в настоящее время измерения таковы, что, похоже, мы можем перейти через границу стабильной вселенной. Мы метастабильны в том плане, что есть серая зона, стабильная в каких-то энергиях, но не во всех".
Мы столкнемся с неминуемой гибелью? Рухнет ли Вселенная?
Это несоответствие между теорией и наблюдением означает, что "Стандартная модель" отстает от новых измерений бозона Хиггса и истинного кварка.
"Объяснение данного несоответствия займет некоторое время у теоретиков", - заявил Кехо, добавив, что физикам приятно разбираться с данной проблемой, о чем свидетельствует их озабоченность "новой физикой" и возможность создания бозона Хиггса и топ-кварка.
"Я присутствовал на двух конференциях в последнее время", - сказал Кехо. Это является свидетельством того, как это может быть интересно.
Так мы в беде?
"Не именно сейчас", - уточнил Кехо. "Энергии, при которых метастабильность рухнет, настолько высоки, что взаимодействие частиц в нашей Вселенной почти никогда не достигнет этого уровня. В любом случае, метастабильная Вселенная, скорее всего, не изменится в течение многих миллиардов лет".
Топ-кварк – окно к другим кваркам
Так как непосредственно можно наблюдать только кварк, топ-кварк мимолетно появляется и исчезает в протонах, что позволяет физикам проверять его свойства напрямую.
"Для меня это похоже на фейерверк", - высказал Лю. "Они выстреливают в небо и разлетаются на мелкие кусочки, а дальше и эти кусочки начинают взрываться. Такое объяснение помогает представить, как истинные кварки распадаются на мелкие части".
"Измеряя частицы, на которые распадаются топ-кварки, ученые определяют их величину", - объясняет Лю.
"Но изучение данных кварков по-прежнему является экзотическим занятием", - констатировал Кехо. "В течение многих лет они рассматривались в виде концепции, а не как реальная вещь. Теперь они реальны, но также довольно новы, что позволит полностью понять их свойства".
-2
