In zwei großen Experimenten zeigten sich Anzeichen einer "neuen Physik". Der Tevatron Hadron Collider zeichnete Partikel dort auf, wo sie nicht sein sollten, und das PAMELA-Weltraumexperiment fand Spuren des Zerfalls von Partikeln der dunklen Materie. Beide Tatsachen passen gut in die Theorie, dass die "dunkle Kraft" existiert
Während sich der Large Hadron Collider (LHC) nach einem schweren Unfall im September auf Reparaturen vorbereitet, hat der amerikanische Tevatron, der die letzten Monate als stärkster Beschleuniger der Welt überlebt hat, den Physikern eine unerwartete Überraschung beschert. Ende letzter Woche veröffentlichten CDF-Mitarbeiter, die an dem gleichnamigen riesigen Tevatron-Partikeldetektor arbeiteten, einen Vorabdruck, der etwas beschreibt, das über das fast heilige Standardmodell der Elementarteilchen für Physiker hinausgeht.
Wenn sich herausstellt, dass dieses Signal für den Hintergrundeffekt nicht unberücksichtigt bleibt, ist diese Entdeckung der erste irdische Beweis für die Einschränkungen des Standardmodells.
Terrestrisch in dem Sinne, dass Astrophysiker seit langem dunkle Materie und dunkle Energie kennen, die auch nicht in das Standardmodell passen. Über die Eigenschaften der Teilchen, aus denen die Dunkle Materie besteht, ist praktisch nichts bekannt.
Tevatron und zusätzliche Myonen
Mit dem CDF-Detektor untersuchen Physiker die Teilchen, die durch die Kollision von Protonen entstehen - positiv geladene Teilchen, aus denen alle Atomkerne bestehen, und Antiprotonen - ihre negativ geladenen Antipoden. Im Tevatron-Beschleuniger werden diese Teilchen, wie der Name schon sagt, auf Energien von fast 1 TeV oder 1000 GeV - tausend Milliarden Elektronenvolt - beschleunigt, und die Kollisionsenergie beträgt dementsprechend fast 2000 GeV, was es ermöglicht, eine Vielzahl von sogar sehr massiven zu erzeugen Elementarteilchen.
Es ist jedoch nicht einmal möglich, die Existenz der meisten interessierenden Partikel einfach zu bestimmen. In der Regel sind sie instabil und verwandeln sich in Sekundenbruchteilen in mehrere leichtere Partikel. Es sind die Eigenschaften der Zerfallsprodukte, die vom Detektor gemessen werden, und die Physiker versuchen dann gemäß der bekannten Metapher, "die Struktur des Uhrwerks wiederherzustellen und die Fragmente von Uhrwerken zu untersuchen, die mit nahezu Lichtgeschwindigkeit kollidierten".
Eines der beliebtesten "Zahnräder" dieser Art ist das Myon. Myonen sind in ihren Eigenschaften gewöhnlichen Elektronen, die Atomkerne umkreisen, sehr ähnlich. Myonen sind jedoch viel massiver und daher für Experimentalphysiker von besonderem Wert. Erstens ist es schwieriger, sie "irrezuführen", wenn sie auf die Protonen und Elektronen des Detektors treffen, und zweitens werden bei den Kollisionen selbst weniger von ihnen geboren, und es ist einfacher, ihre Spuren im Detektor zu erkennen als die verwickelten Trajektorien zahlreicher Elektronen.
Eines der Partikel, das aktiv mit Myonen untersucht wurde, ist das sogenannte B-Meson, zu dem ein schwerer B-Quark (oder Antiquark) gehört.
Und hier führten Myonen lange Zeit die Experimentatoren an der Nase.
Die Theorie der Struktur und Wechselwirkung von Quarks - die Quantenchromodynamik - ermöglicht es Ihnen, die Wahrscheinlichkeit der Produktion von B-Mesonen und deren Beteiligung an verschiedenen Wechselwirkungen zu berechnen. Daher ist es möglich, die Anzahl der Myonen zu schätzen, die während des Zerfalls dieser Teilchen geboren werden. Im Experiment wurden jedoch viel mehr Myonen produziert als geplant. Darüber hinaus zeigte eine andere Methode zur Messung der Eigenschaften von B-Mesonen Ergebnisse, die immer besser mit der Theorie übereinstimmen. Die Experimentatoren hatten also immer weniger Gründe, Theoretiker zu beschuldigen, nicht zu zählen (und Berechnungen in der Quantenchromodynamik sind äußerst schwierig).
Der Grund für diese Diskrepanzen blieb lange Zeit ein Rätsel, bis Wissenschaftler herausfanden, dass einige der Myonen, die Physiker lange Zeit für die Zerfallsprodukte von B-Mesonen verwendeten, tatsächlich nichts damit zu tun hatten. Tatsache ist, dass das B-Meson nur sehr kurze Zeit lebt und bei der Kollision von Protonen und Antiprotonen von der Achse der Vakuumröhre, in der die Kollisionen stattfinden, nur um 1–2 mm abfliegt. Hier zerfällt es in Myonen. Als Wissenschaftler herausfanden, wo die Myonen waren, die ihr Detektor aufzeichnete, wurde das Problem der B-Mesonen gelöst: Wie sich herausstellte, entstanden einige von ihnen viel weiter von der Achse entfernt, und der Beitrag dieser "zusätzlichen Myonen" zum Endergebnis erklärte genau die Diskrepanz mit der Theorie.
Aber woher kommen diese "zusätzlichen" Myonen?
Einige von ihnen entstehen 3 mm von der Achse entfernt, fünf und sieben; Einige befinden sich vollständig außerhalb der Vakuumröhre, die wirklich in kein Tor passt.
Die entstehende physische "Empfindung" ist mit diesen Partikeln verbunden. Dieses Wort, das für ehrwürdige Wissenschaft selten ist, charakterisiert die Aufregung von Theoretikern und Experimentatoren auf die bestmögliche Weise. Diskussionen über die Realität der Signale, die durch die CDF-Zusammenarbeit gefunden wurden, toben bereits in den professionellen Blogs von Physikern und auf der Website elektronischer Preprints an der Cornell University zum dritten Mal in Folge. Immer mehr theoretische Erklärungen für das, was sie sahen.
Neue Partikel?
Grundsätzlich kann es eine Vielzahl von Gründen für das Auftreten unnötiger oder, wie Physiker sagen, "Hintergrund" -Partikel geben, und der größte Teil des Artikels der CDF-Zusammenarbeit befasst sich mit der Analyse möglicher Gründe für das Auftreten eines Signals, das die "neue Physik" nicht über den Standard hinaus anspricht Modelle. Vielleicht haben wir einige andere Teilchen, aus denen Myonen geboren wurden, nicht berücksichtigt - zum Beispiel kosmische Strahlung, oder vielleicht haben wir für Myonen andere Zerfallsprodukte von Teilchen, die im Tevatron produziert werden? Schließlich sind die Signale im Detektor selbst, die wir für Spuren von Myonen verwenden, möglicherweise nicht so - Rauschen, statistische Schwankungen, Artefakte wütender Methoden der mathematischen Verarbeitung experimenteller Ergebnisse?
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Laut den Autoren der letzten Arbeit konnten sie keine "Standard" -Erklärung finden.
Es sei darauf hingewiesen, dass fast ein Drittel der Zusammenarbeit - etwa 200 von 600 Personen - sich weigerte, den Artikel zu unterzeichnen, der seit fast sechs Monaten einer "internen Revision" unterzogen wurde. Durch…
Alles sieht so aus, als ob es ihnen gelungen ist, Anzeichen für die Existenz eines neuen Teilchens zu finden, das viel länger lebt als das B-Meson, und es hat keinen Platz in der Physik, die wir kennen. Wissenschaftler verzichten jedoch immer noch auf eine solche direkte Aussage: Die Erfahrung einer ganzen Generation von Physikern, die immer wieder von der Anwendbarkeit des Standardmodells auf scheinbar völlig unerklärliche Phänomene überzeugt ist, macht sich bemerkbar. Es ist jedoch unmöglich, fast 100.000 Ereignisse, die von einem der besten Instrumente des immer noch stärksten Beschleunigers der Erde aufgezeichnet wurden, einfach zu ignorieren.
Die Eigenschaften von "zusätzlichen" Myonen sind an und für sich erstaunlich. Eines der auffälligsten ist, dass sie sehr oft in "Rudeln" geboren wurden - nicht jeweils ein Partikel, sondern zwei, drei oder sogar acht gleichzeitig. Außerdem flogen sie ab dem Zeitpunkt ihrer Geburt in der Regel nicht in alle Richtungen, sondern in ungefähr dieselbe Richtung - Wissenschaftler verwenden sogar den Begriff "Myonenstrahl". Und die charakteristische Energie eines neuen unbekannten Teilchens - falls es tatsächlich existiert - beträgt mehrere GeV. Mit anderen Worten, die "neue Physik" - wenn wir sie wirklich im Myonennebel zu unterscheiden beginnen - beginnt bei Energien, die nicht in Tausenden von GeV liegen, auf die Monster wie der LHC gerichtet sind, sondern viel früher.
Und diese Eigenschaften nähern sich auffallend den Ergebnissen des Erdbeschleunigers mit den Daten an, die wenige Tage zuvor vom Weltraum-Antiteilchendetektor PAMELA veröffentlicht wurden.
Positronenfraktion als Funktion der Energie // PAMELA Group, arXiv.org
Ergebnisse des PAMELA-Experiments Das
internationale Forschungsfahrzeug PAMELA an Bord des russischen künstlichen Satelliten "Resurs-DK1" verzeichnete zuverlässig einen Überschuss an hochenergetischen Positronen im Fluss des geladenen Raums …
Vielen Astrophysikern zufolge entsteht der Überschuss an hochenergetischen Positronen (Antiteilchen zu Elektronen) in kosmischen Strahlen aus dem Zerfall oder der Vernichtung von Teilchen mysteriöser dunkler Materie. Dies ist ein weiteres Element der Physik jenseits des Standardmodells, dessen Existenz (und sogar Beherrschung durch die Masse) Astronomen seit langem kennen, aber nichts Wertvolles sagen können: Deshalb ist es dunkle Materie, dass sie nicht sichtbar ist und ihre Anwesenheit nur durch die Schwerkraft nachgibt.
Dark Power
Wie sich herausstellte, hat das Quartett der Theoretiker aus Princeton, Harvard und New York bereits eine Erklärung der PAMELA-Ergebnisse, die sich mit den neuen Daten aus dem Tevatron als nützlich erwiesen hat. Laut Nima Arkanihamed und seinen Kollegen wird im Rahmen ihres supersymmetrischen Modells eine einheitliche und natürliche Erklärung für den vom PAMELA-Apparat zuverlässig gemessenen Überschuss an Positronen, einen kaum wahrnehmbaren Überschuss an scheinbar aus dem Nichts kommenden Gammastrahlen und das neblige Leuchten des Zentrums der Galaxie in Gamma und erhalten Funkstrahlen, die von anderen astrophysikalischen Satelliten aufgezeichnet wurden.
Gemäß dem Modell haben Partikel der dunklen Materie eine Masse von etwa 1000 GeV und nehmen nicht an den uns bekannten Wechselwirkungen teil. Sie wirken jedoch mit Hilfe einer kurzreichweitigen "dunklen" Kraft aufeinander, die von einem anderen dunklen Teilchen mit einer Masse von etwa 1 GeV getragen wird. Mit anderen Worten, zu den drei üblichen Arten der Wechselwirkung, die nur auf gewöhnliche Materie wirken (elektromagnetisch und nuklear, schwach und stark), kommt eine weitere hinzu, die nur in der Welt der dunklen Materie wirkt. Die Schwerkraft steht wie immer auseinander und verbindet beide Welten.
Die "dunkle" Kraft wurde von Theoretikern benötigt, um die Teilchen der dunklen Materie in eine Art "Atome" zu binden, in denen eines der dunklen Teilchen eine negative "dunkle Ladung" und das andere eine positive "dunkle Ladung" aufweist. Nur die Bildung von "Atomen" ermöglicht es der Dunklen Materie, sich intensiv genug zu vernichten, um die Ergebnisse astrophysikalischer Beobachtungen zu erklären (dies ist der sogenannte Sommerfeld-Mechanismus).
Das Teilchen, das die "dunkle" Kraft trägt, kann jedoch bereits direkt mit der Emission gewöhnlicher Teilchen zerfallen, und laut Arkanihamed und seinen Kollegen ist dieses Teilchen möglicherweise für das Auftreten von "zusätzlichen" Myonen verantwortlich.
Darüber hinaus verläuft der Zerfall dunkler Teilchen, die mit einer dunklen Ladung geladen sind, natürlich in einer Kaskade, bis er auf das hellste stabile dunkle Teilchen trifft, in das nichts zerfallen kann. Jeder Schritt dieser Kaskade beinhaltet ein Teilchen - einen Träger dunkler Kraft, und daher kann bei jedem Schritt ein zusätzliches Myon auftreten. Soviel zu Myonen in "Packs". Nun, die Tatsache, dass sie alle in die gleiche Richtung fliegen, ist einfach darauf zurückzuführen, dass sich das zerfallende Teilchen schnell bewegt. Die Ladungen des festlichen Feuerwerks, die explodieren, bevor sie den höchsten Punkt ihrer Flugbahn erreichen, werfen ganze Springbrunnen mit hellen Lichtern nach vorne. Soviel zum "Jet".
Die Veröffentlichung von Daten durch die CDF- und PAMELA-Kooperationen wird jedoch zweifellos dazu führen, dass in den kommenden Monaten Dutzende, wenn nicht Hunderte von möglichen Erklärungen auftauchen. Es könnte sich also nicht lohnen, über Arkanihameds Modell nachzudenken. Bisher zeichnet sie sich nur dadurch aus, dass sie bei der Interpretation dieser und anderer Daten vor Gericht stand.
Natürlich ist es möglich, dass beide experimentellen Ergebnisse trivialere Erklärungen erhalten. "Zusätzliche Myonen" können sich als nichts anderes als ein unerklärlicher instrumenteller Effekt der riesigen CDF-Installation herausstellen, und "zusätzliche Positronen" können in der Nähe von Neutronensternen in unserer Galaxie erzeugt werden.
Aber die Aussichten sind faszinierend. In der Welt der dunklen Materie, die bis vor kurzem wie eine formlose Trübung schien, hinter der Astronomen ihr Missverständnis der Struktur der Welt verbergen, entstand eine Struktur - einige Wechselwirkungen, "dunkle Ladungen", "dunkle Atome". Vielleicht ist die Physik noch nicht vorbei, und neue Generationen von Wissenschaftlern werden in der "dunklen Welt" etwas zu studieren haben.
