Адронный коллайдер и всё о нём

На сегодня эта гипотеза не была подтверждена экспериментально. Для того чтобы фактически проверить ее, существует несколько возможностей. Одна из них заключается в поиске определенных цепочек превращения элементарных частиц в коллайдере (внутри БАК элементарные частицы сталкиваются друг с другом, и этот процесс приводит последовательному образованию других частиц). Ученые искали такие цепочки превращений в данных, собранных детектором CMS.

Второй вариант подразумевает не поиск новых частиц, а обнаружение "недостатка" энергии при определенных типах столкновений. Согласно положениям гипотезы суперсимметрии, за такой недостаток "ответственны" нейтралино - один из типов гипотетических суперсимметричных частиц.

По итогам анализа части данных, собранных на детекторах CMS и ATLAS в течение 2010 года, ученые не обнаружили событий, которые соответствовали бы проявлениям гипотезы суперсимметрии. Однако исследователи отмечают, что пока рано полностью исключать ее - с их точки зрения, новые результаты только устанавливают более высокие энергетические пределы для проявления суперсимметрии.

В 2008 году физики, работающие с данными, которые получает японский ускоритель KEK, представили доказательства, которые могут косвенно указывать на правомерность гипотезы суперсимметрии. Полученные на KEK данные свидетельствуют о рождении новой частицы, характеристики которой напоминают характеристики одной их суперсимметричных частиц. Однако эти данные требуют дополнительной проверки.

Авторы нового исследования, работающие с данными, накопленными на одном из детекторов коллайдера - CMS, анализировали рождение пар W-бозонов в столкновениях, происходящих с энергией 7 тераэлектронвольт. На основании собранной на детекторе информации физики смогли сузить диапазон масс, в который должна укладываться масса бозона Хиггса. Если в более ранних работах, выполненных специалистами с главного "конкурента" БАК - американского коллайдера Тэватрон - было показано, что масса хиггсовского бозона не находится в пределах от 158 до 175 гигаэлектронвольт, то авторы новой работы заключили, что его масса не должна располагаться в пределах от 144 до 207 гигаэлектронвольт. Оставшееся узкое "окно" указывает, что бозон Хиггса описывается в рамках одной из более экзотических "разновидностей" Стандартной модели.

Впрочем, для того чтобы уверенно говорить о значениях массы бозона Хиггса, необходимо накопить намного больше данных, чем доступно на сегодняшний день.

Недавно ученые, анализирующие данные детектора CMS, сообщили о еще одном важном для поимки бозона Хиггса событии. Исследователи зарегистрировали несколько событий рождения пар Z-бозонов, которые могут, в частности, рождаться в результате распада хиггсовского бозона. Однако как и в случае новой работы, пока у физиков недостаточно статистики для того, чтобы делать однозначные выводы.

Напомним, одной из главных задач БАК (LHC) является поиск бозона Хиггса — гипотетической частицы, отвечающей за наличие у материи массы. Некоторые теоретики предсказывают, что в столкновениях, рождающих хиггсовские бозоны, одновременно будут возникать и так называемые синглетные бозоны Хиггса. А эти частицы должны обладать любопытными свойствами.

PhysOrg.com сообщает: «Согласно теории Вейлера и Хо, синглетные бозоны Хиггса могут прыгать в дополнительное, пятое измерение, где они способны двигаться вперёд или назад во времени, чтобы снова появляться в будущем или прошлом». Проверить наличие таких частиц-путешественников будет несложно: они сами (а точнее — продукты их распада) будут появляться в детекторе перед столкновением, их породившим.




Работа Вейлера и Ман Хо базируется на М-теории, призванной объединить фундаментальные взаимодействия и стать таким образом «теорией всего». Она предполагает наличие 10 или 11 измерений.

При этом большинство «строительных кирпичиков» Вселенной не выходят за рамки привычных, наблюдаемых нами измерений, но есть исключения. Одним из них и могут быть синглетные бозоны Хиггса. Их перемещения в дополнительных измерениях с нашей точки зрения будут выглядеть как скачки во времени.

(Детали работы Вейлера и Хо можно найти в пресс-релизе университета и статье авторов теории на сайте препринтов arXiv.org.)




Вейлер отмечает, что новая теория исключает парадоксы, связанные с путешествиями во времени, поскольку человека послать в прошлое таким способом невозможно. Однако, учёный указывает, что, если люди могли бы контролировать производство синглетных бозонов Хиггса, они могли бы посылать сквозь время сообщения. Способны ли такие действия вызвать парадоксы — ещё вопрос.

Кстати, о том, как природа способна обороняться от противоречий путешествий во времени, рассказало другое недавнее исследование, в котором некоторые аспекты работы машины времени были даже смоделированы на опыте.

К настоящему моменту физики смогли уточнить вероятные значения массы бозона Хиггса и продолжают постепенно сужать возможный диапазон. Анализ новых данных, полученных на детекторах Тэватрона CDF и D0, в совокупности с более ранними результатами позволил ученым исключить интервал масс от 156 до 183 гигаэлектронвольт. Масса хиггсовского бозона не лежит в большей части этого диапазона с вероятностью 95 процентов, но некоторые участки пока исключаются с вероятностью 90 процентов. В июле 2010 года физики с Тэватрона смогли исключить более узкий интервал возможных значений массы бозона Хиггса - от 158 до 175 гигаэлектронвольт. Если сопоставить все эти данные, то наиболее вероятные интервалы, в которые попадает масса бозона, лежат в пределах от 183 до 185 гигаэлектронвольт и от 114 до 156 гигаэлектронвольт.

Большие значения массы хиггсовского бозона означают, что он, с высокой вероятностью, будет распадаться на пары Z- или W-бозонов, и эти события будет достаточно легко зарегистрировать в Большом адронном коллайдере - гигантском ускорителе, который расположен на границе Швейцарии и Франции (одно подобное событие было зарегистрировано в 2010 году). Если же масса бозона Хиггса попадает в нижний диапазон, то при распаде этой частицы, скорее всего, будут образовываться b-кварки, которые трудно "засечь" в БАК на фоне остальных событий.

Недавно специалисты, анализирующие данные, которые были собраны на БАК, представили первые результаты, определяющие массу бозона Хиггса. Согласно выводам специалистов, масса этой частицы не должна располагаться в пределах от 144 до 207 гигаэлектронвольт. С учетом интервалов, полученных учеными с Тэватрона, возможная масса бозона попадает в "окно", которое предсказывают более экзотические разновидности Стандартной модели.

В воскресенье, 13 марта, на БАК прошли первые в 2011 году столкновения протонов. Во вторник их энергия была доведена до 7 тераэлектронвольт.

В ускорительном тоннеле коллайдера происходят столкновения протонов и антипротонов, в результате которых рождаются другие частицы, которые, в свою очередь, также распадаются. Анализируя конечные продукты распадов, ученые могут определить, какие частицы образовывались в коллайдере изначально.

Авторы новых работ анализировали данные, собранные на одном из детекторов Тэватрона - CDF. Ученых интересовали события образования W-бозонов - элементарных частиц, которые являются переносчиками слабого взаимодействия (наряду с электромагнитным, сильным и гравитационным оно входит в число четырех фундаментальных физических взаимодействий). Каждое событие рождения W-бозона сопровождалось образованием двух потоков других частиц.

Было обнаружено, что при энергиях столкновений 144 гигаэлектронвольта наблюдается избыток новообразованных мюонов и электронов. Ученые полагают, что рождение "лишних" частиц может объясняться тем, что в исходных столкновениях появлялись новые, еще неизвестные физикам частицы, которые распадались с образованием W-бозонов, распад которых и давал дополнительные электроны и мюоны.

Специалисты полагают, что новая частица (если наблюдаемый эффект действительно обусловлен ее рождением) не является бозоном Хиггса (частицей, которая, согласно наиболее общепринятой гипотезе, объясняющей устройство окружающего мира, отвечает за наличие у других частиц массы). На тех энергиях столкновений, при которых осуществлялся эксперимент, распад бозона Хиггса должен давать другие цепочки частиц.

Тэватрон - это крупнейший после знаменитого БАК коллайдер элементарных частиц. В настоящее время эксперименты на нем приостановлены из-за попадания молнии. Кроме того, в октябре 2011 года все работы на Тэватроне будут свернуты, несмотря на то, что на ускорителе было получено множество перспективных для "поимки" бозона Хиггса данных.

"Высокая светимость пучка - ключевая характеристика БАК, так что это (достижение высокой светимости - прим. "Ленты.Ру") является важным шагом в работе коллайдера," - заявил руководитель CERN Рольф Дитер Хойер. Светимость пучка является характеристикой, которая непосредственно влияет на количество столкновений частиц в ускорителе, а, следовательно, на количество получаемых физиками данных.

БАК является крупнейшим на планете ускорителем элементарных частиц - длина его кольца составляет 27 километров. Впервые коллайдер был запущен в сентябре 2008 года, однако через 9 дней произошла авария в системе охлаждения, из-за которой работа ускорителя была остановлена более чем на год. В настоящее время физики работают над постепенным увеличением мощности коллайдера. К концу 2012 года ускоритель будет работать с пучками, энергия которых будет составлять 3,5 тераэлектронвольт.

Тэватрон является вторым после БАК по мощности ускорителем. Совсем недавно на нем было зарегистрировано событие, которое расцениваться как рождение неизвестной частицы. Данные были собраны детектором CDF ускорителя.

Полученные данные указывают, что масса бозона Хиггса составляет около 115 гигаэлектронвольт - это укладывается в теоретические предсказания. Однако количество сигналов в 30 раз больше, чем предсказывают расчеты. Это несоответствие может указывать, что правомерной является не Стандартная модель, а одна из ее более экзотических разновидностей - гипотеза суперсимметрии.

Пока официальных комментариев от сотрудников CERN (Европейский центр ядерных исследований - организация, которая курирует работу коллайдера) не поступало, однако многие физики, работающие в той же области исследований, уже выразили скепсис по поводу новых данных. Во-первых, ученые отмечают, что опубликованный документ не является статьей, которую рецензировало несколько специалистов, поэтому достоверность представленных фактов требует подтверждения. Не исключено, что наблюдаемый эффект - это артефакт эксперимента. Кроме того, вопросы вызывает предполагаемая масса обнаруженного бозона Хиггса (если это действительно он) - при таком значении частица, с высокой вероятностью, уже была бы обнаружена учеными, анализирующими данные с Тэватрона - второго по размеру после БАК коллайдера элементарных частиц.

Слухи об обнаружении бозона Хиггса появляются в среде физиков не впервые. Летом 2010 года итальянский ученый Томмазо Дориго опубликовал в своем блоге информацию о том, что на одном из детекторов Тэватрона было зафиксировано "подозрительное" событие. Позже ученые, работающие на Тэватроне, опровергли эти данные.

Данные о вероятной "поимке" бозона Хиггса были опубликованы в блоге математика Питера Войта одним из его читателей. Комментатор привел фрагмент из внутренней переписки физиков, работающих на детекторе ATLAS, в котором сообщалось о регистрации нескольких сигналов, которые могут соответствовать событиям рождения бозона Хиггса. Согласно этим данным, масса частицы составляет около 115 гигаэлектронвольт.

Просочившаяся в интернет информация вызвала скептическую реакцию у научного сообщества - одной из основных претензий физиков является тот факт, что сообщение об обнаружении "подозрительных" сигналов не было опубликовано в рецензируемом научном журнале. Кроме того, значение массы частицы не укладывается в Стандартную модель - наиболее общепринятую теорию, которая объясняет фундаментальные физические законы. Впрочем, сам по себе этот факт не может быть доказательством недостоверности каких-либо новых данных.

Как уже было сказано, такие показатели имели место в первые моменты после рождения мира. И рекорд был поставлен вовсе не ради самого рекорда — предметом исследования является именно это необычное состояние материи.

Как и в предыдущих опытах на БАК (LHC), учёные вновь увидели, что самое плотное вещество ведёт себя как идеальная жидкость с практически нулевым трением. Авторы эксперимента приводят аналогию: «Представьте, что вы начали размешивать чай в стакане, а затем вытащили ложку. Обычный чай со временем прекратил бы вращаться. Идеальная жидкость продолжит своё движение по кругу до бесконечности».

Согласно некоторым теориям, при ещё более высоких температурах кварк-глюонная плазма могла вести себя и как газ. Сейчас физики проверяют, не происходило ли нечто подобное в нынешнем эксперименте.

Так как Большой адронный коллайдер пока работает лишь на половину своей максимальной мощности, у физиков есть возможность получить ещё более плотную и более горячую материю для последующих исследований.

Интегральная светимость определяется как произведение светимости на время работы ускорителя и выражается в обратных пикобарнах или обратных фемтобарнах. Интегральная светимость в один обратный фемтобарн соответствует примерно 70х1012 столкновений. В дальнейшем физики намерены повышать светимость - ее ожидаемый прирост составляет от 0,5 до одного фемтобарна в месяц, уточняется на портале "Элементы.Ру". К концу октября 2011 года физики планируют довести интегральную светимость до 5 фемтобарн.

БАК - это самый большой на планете ускоритель элементарных частиц. Ускорительный тоннель длиной 27 километров пролегает под землей на границе между Швейцарией и Францией. Одной из основных задач БАК является поимка бозона Хиггса - элементарной частицы, которая "ответственна" за наличие массы у всех остальных частиц. Если хиггсовский бозон бозон будет обнаружен, Стандартная Модель - наиболее общепринятая на сегодня гипотеза, которая объясняет природу фундаментальных физических взаимодействий, будет завершена.