Новые окна и большая котельная: устоит ли Стандартная модель

Кажется, на Стандартную модель пошли войной все кому не лень. Хотя оно и понятно: новые технологии позволяют копать так глубоко, как раньше и не снилось.

Превращение мюония

Китайские физики приступили к эксперименту MACE, цель которого — регистрация превращения мюония в антимюоний. Мюоний — экзотическая короткоживущая система, напоминающая атом водорода, но с положительно заряженным мюоном вместо протона и вращающимся вокруг электроном. Антимюоний — аналог из антиматерии. Стандартная модель запрещает самопроизвольное превращение мюония в антимюоний. Вот почему, утверждают ученые, фиксация такого перехода станет прямым доказательством существования новой физики.

Последний наиболее точный эксперимент (в Институте Пауля Шеррера в Швейцарии), подтвердивший запрет перехода «мюоний — антимюоний», датируется 1999 годом. В КНР намерены повысить чувствительность поиска в 100 раз, чтобы регистрировать превращения с вероятностью до 10⁻¹³. Оборудование, технологии и методы в эксперименте позволят изучать фундаментальные взаимодействия при энергиях, недостижимых даже для коллайдеров будущего, — 100 ТэВ. «Мы не просто готовим эксперимент, мы открываем новое окно в законы природы, — самонадеянно заявляют авторы. — Каждый компонент MACE, от линии пучка до программного обеспечения, оптимизирован для исследования физики, которая может переопределить наше понимание материи, симметрии и самой Вселенной».

Неуловимая стерильность

Две крупные коллаборации в физике частиц — KATRIN (Германия) и MicroBooNE (США) — независимо друг от друга пришли к выводу, что стерильного нейтрино, скорее всего, не существует. Во всяком случае, за многие годы KATRIN и MicroBooNE эти гипотетические частицы не обнаружили.

Стерильное нейтрино ввели в оборот для объяснения некоторых аномалий в нейтринных осцилляциях (к слову, сами осцилляции в 1957 году предсказал советский физик Бруно Понтекорво), которые не укладываются в предсказания Стандартной модели. В отличие от трех известных — электронного, мюонного и тау-нейтрино — стерильное не участвует в слабом ядерном взаимодействии, поэтому его чрезвычайно трудно зарегистрировать напрямую.

Эксперимент KATRIN, стартовавший в 2016 году в Технологическом институте Карлсруэ, изначально ставил задачей сверхточное измерение массы электронного антинейтрино путем исследования спектра электронов, испускаемых в результате бета-распада трития. По мнению ученых, если бы стерильные нейтрино существовали, они иногда замещали бы обычные в этом распаде, что исказило бы форму спектра. Однако анализ данных по более чем 36 млн электронов не выявил отклонений, которые указывают на существование гипотетических частиц.

Физики, работающие в эксперименте MicroBooNE в Национальной ускорительной лаборатории Ферми, подошли к проблеме с другой стороны. Они изучали поведение пучков мюонных нейтрино и их превращение в электронные. Участие стерильных нейтрино в этих осцилляциях повлияло бы на количество регистрируемых электронных нейтрино. Но анализ показал отсутствие отклонений от прогнозируемых результатов. Более того, эксперимент не подтвердил сами аномалии, наблюдавшиеся ранее, и таким образом исключил ряд интерпретаций, в том числе сценарий с присутствием стерильных нейтрино.

Так или иначе, оба эксперимента существенно сужают область поисков новой физики. И хотя они исключают стерильные нейтрино как объяснение ряда ранее наблюдавшихся аномалий, полная картина пока не ясна. Как отмечают физики, отрицательный результат тоже важен: он заставляет искать другие объяснения аномалиям, и если за ними действительно стоит новая физика, то она должна быть иной природы.

В тесноте, да не в обиде

Физики коллаборации CMS, работающей на Большом адронном коллайдере (БАК), впервые измерили фундаментальные квантовые свойства трех полностью очарованных тетракварков. Это экзотические частицы из двух очарованных кварков и двух очарованных антикварков. Изучение их структуры позволяет лучше понять природу сильного ядерного взаимодействия, которое отвечает за связь кварков внутри протонов, нейтронов и других адронов, а также удерживает протоны и нейтроны внутри атомного ядра.

До недавнего времени все известные адроны укладывались в простую схему: мезоны (два кварка) и барионы (три кварка). Обнаружение многочастичных состояний поставило вопрос о том, как именно кварки могут группироваться при сильном взаимодействии. Существуют две основные теоретические модели. Согласно одной, кварки в тетракварке очень сильно связаны и образуют единый компактный объект. Согласно другой, тетракварк представляет собой скорее «молекулу» из двух двухкварковых мезонов, которые связаны друг с другом относительно слабо.

Расчеты показали, что полный момент импульса всех трех тетракварков, скорее всего, равен двум, а четность и зарядовое сопряжение положительны. Такой набор квантовых чисел гораздо лучше согласуется с моделью компактного, сильносвязанного тетракварка, чем с моделью слабосвязанной «молекулы» из двух мезонов. Но ученые призывают к осторожности в интерпретации: чтобы полностью исключить альтернативные модели, недостаточно статистики.

Вторая профессия БАКа

Ну и раз уж заговорили о Большом адронном коллайдере, не могу не упомянуть еще одну новость — прямо скажем, сенсационную, хотя к науке имеющую опосредованное отношение. Дело в том, что БАК теперь не только крупнейшая экспериментальная установка, но и большая адронная котельная. Самый известный в мире ускоритель частиц получил следующее важное задание — обогрев тысяч домов в новом районе французского города Ферне-Вольтер. С середины января на ускорителе внедрена система теплообмена, которая отводит тепло от системы охлаждения и направляет его в сеть централизованного теплоснабжения Ферне-Вольтера.