Понять, но не вообразить: новости физики элементарных частиц

«Может быть, величайшим триумфом человеческого гения является то, что человек может понять вещи, которые он уже не в силах вообразить» — ​эти слова выдающегося ученого ХХ века, лауреата Нобелевской премии Льва Ландау приходят на ум, когда готовишь обзор новостей физики элементарных частиц.

Не так прост, как кажется

Немного о чармонии, который из-за простоты и фундаментальности иногда называют атомом водорода в квантовой хромодинамике. Этот мезон состоит из c-кварка и c-антикварка. Китайские и американские физики недавно опубликовали в Physical Review D статью о неожиданных результатах моделирования структуры чармония. Выяснилось, что он имеет отчетливую луковичную структуру и состоит из вложенных слоев, каждый из которых содержит различные типы частиц. В основе лежат стабильные валентные c-кварк и c-антикварк. Валентное ядро окружено областью, занимаемой виртуальными кварками, постоянно рождающимися и исчезающими в вакууме, — ​крошечными партонами. Более того, расчеты показывают, что в структуру чармония входят целые виртуальные адроны, такие как пионы, каоны и эта-мезоны, а также глюболы, состоящие только из глюонов.

И снова о чармонии

Американцы решили разобраться с мутной историей появления первых частиц. И здесь физиков ждало удивительное открытие, которое, в принципе, может пошатнуть космологические теории. Ученые Йельского университета и Университета Дьюка, воссоздав на ускорителе экстремальные условия ранней Вселенной, пришли к выводу, что порядка 70 % частиц могли возникнуть не из первоначального кварк-­глюонного бульона, как считает современная наука, а в результате более поздних реакций. Надо понимать, что начались они спустя 0,000001 с ­после Большого взрыва, но тем не менее. Именно тогда частицы, состоящие из кварков, начали взаимодействовать. Чармонии, например, появились именно в результате этих «более поздних» реакций. Открытие бросает вызов предыдущим предположениям о сроках формирования материи.

Найти отличия

Вслед за коллегами из США на теории образования материи во Вселенной посягнули физики коллаборации BASE (эксперимент по барион­антибарионной симметрии) Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН). Они разработали ловушку для антипротонов, в которой охлаждение частиц происходит быстрее, чем было возможно ранее: восемь минут вместо 15 часов. Это позволит на несколько порядков повысить точность измерения массы и магнитного момента частиц. Ученые надеются, что новая разработка поможет пролить свет на то, почему во Вселенной существует материя и куда делось все антивещество. Если выяснится, что отношение заряда к массе и магнитный момент у протонов и антипротонов одинаковые, то вопрос останется открытым, а вот если будут обнаружены отличия, пусть и самые незначительные, то… Не берусь сказать, что «то». Одно знаю точно: картина мира поменяется.

Уже есть первые результаты: ученые определили, что магнитные моменты протонов и антипротонов отличаются максимум на одну миллиардную. В следующей измерительной кампании физики рассчитывают повысить точность определения магнитного момента минимум в 10 раз.

Приходит время Т

Давайте поговорим об enfant terrible современной физики — ​гипотетических сверхсветовых частицах тахионах. В приличном научном обществе их до сих пор рассматривают как объекты, которых быть не может и которые ни в какую теорию не вписываются. Причин отсутствия тахионов в квантовой теории по крайней мере три. Первая — ​основное состояние тахионного поля должно быть неустойчивым, что означает, что такие сверхсветовые частицы будут образовывать лавины. Вторая — ​изменение инерциального наблюдателя должно приводить к изменению числа частиц, наблюдаемых в его системе отсчета, что противоречит логике. И причина третья — ​энергия сверхсветовых частиц может принимать отрицательные значения.

Физики Варшавского и Оксфордского университетов решили подойти к «легализации» этой гипотетической частицы сразу со всех сторон. Оказалось, что к граничным условиям, определяющим ход физических процессов, относится не только начальное, но и конечное состояние системы. Проще говоря, чтобы вычислить вероятность квантового процесса с участием тахионов, необходимо знать не только его начальное состояние (прошлое), но и конечное (будущее). Как только этот факт был включен в теорию, все упомянутые трудности исчезли, а тахионная теория стала математически непротиворечивой. Похоже, будущее и правда влияет на настоящее.

Результаты работы опубликованы в журнале Physical Review D. В статье также поднимается вопрос о том, являются ли тахионы, описанные таким образом, чисто «математической возможностью», или, вероятно, они когда-­нибудь будут наблюдаться. По мнению авторов, тахионы не только возможны — ​они неотъемлемый компонент спонтанного разрушения, ответственного за образование материи. Эта гипотеза означает, что возбуждения поля Хиггса до того, как симметрия была спонтанно нарушена, могли распространяться в вакууме со сверхсветовыми скоростями.