Конечно, мы нашли бозон Хиггса на БАК в начале этого десятилетия. А что еще есть, а главное, не оказалось?
Прошло чуть более пяти лет с тех пор, как два крупных коллектива на Большом адронном коллайдере - CMS и ATLAS - объявили об открытии новой частицы с невиданными ранее свойствами: бозона Хиггса. Это была первая обнаруженная фундаментальная скалярная частица, первая частица со спином=0, первая частица с энергией покоя 126 ГэВ и последняя предсказанная отсутствующая частица из Стандартной модели физики элементарных частиц. С открытием бозона Хиггса эта Стандартная модель была окончательно завершена. Все другие частицы и античастицы ранее уступили место прямому обнаружению, а с бозоном Хиггса мы теперь обнаружили, что каждая частица, существование которой мы можем предсказать, должна существовать. Тем не менее, в физике есть огромное количество неразгаданных тайн, и более пяти лет спустя БАК не дал нам новых намеков на то, что будет дальше. Вот краткий обзор того, что обнаружил и чего не нашел БАК, и что это значит для того, что будет дальше.
Найдено: Стандартная модель действительно хороша. Каждая частица, которую мы создали на БАК, как она распадалась, с чем взаимодействовала и каковы ее внутренние свойства, - все это приводит к одному и тому же выводу: все, что мы когда-либо видели на коллайдере, на 100% согласуется со Стандартной моделью.. Экзотических распадов нет; нет фундаментальных правил, которые нарушаются; нет никаких косвенных доказательств того, что для любых частиц, от бозона Хиггса до топ-кварка и нейтрино, должно существовать что-то большее. Хорошо это или плохо, но отклонений от Стандартной модели мы не наблюдаем.
Не найдено: Любое свидетельство наличия дополнительных частиц. В этом нет ничего приукрашивающего: возможно, это была самая большая надежда большинства физиков. На новые частицы в масштабах от 100 ГэВ до ~2 ТэВ очень надеялись, и в разное время появлялись некоторые статистически убедительные доказательства для нескольких кандидатов. К сожалению, с получением большего количества и более качественных данных это предварительное доказательство испарилось, и теперь, когда эксперименты I и II завершены, нет даже каких-либо хороших предположений о том, где может быть такая новая частица.
Найдено: Новые связанные состояния экзотических частиц. Правило для составных частиц, состоящих из кварков - таких как протон (вверх, вверх, вниз) и нейтрон (вверх, вниз, вниз) - , состоит в том, что они должны быть бесцветными: состоять из таких комбинаций, как 3 кварка, 3 антикварка, или комбинация кварк-антикварк. Поскольку кварки бывают трех цветов (красный, зеленый, синий), а антикварки - трех антицветов (голубой/антикрасный, пурпурный/антизеленый, желтый/антисиний), и все три цвета (или антицвета) вместе дают бесцветную комбинацию, мы полностью ожидать существования барионов (3 кварка), антибарионов (3 антикварка) и мезонов (пар кварк/антикварк). Но мы также начинаем находить состояния тетракварка (2 кварка/2 антикварка) и пентакварка (4 кварка/1 антикварка)! Это огромная победа квантовой хромодинамики: теории сильных взаимодействий. Но, опять же, это все предсказания, исходящие из Стандартной модели, и ничего более.
Не найдено: Суперсимметрия. Дополнительные размеры. Прямое создание темной материи. Это были большие теоретические надежды, которые многие возлагали на БАК, и не только попытки прямого обнаружения не увенчались успехом на БАК, но и многие (или даже большинство) моделей, которые были разработаны для решения некоторых из самых больших проблем (таких как проблема иерархии) в физике исключены. Природа все еще может иметь суперсимметричные частицы, дополнительные измерения или темную материю на основе частиц, но наиболее многообещающие версии этих расширений теории не были обнаружены на БАК. Они все еще могут, конечно, но нет даже косвенных доказательств того, что дальнейшие данные выявят их при энергиях БАК.
Найдено: распады, нарушающие CP. Конечно, мы видели их и раньше в небольших количествах, но БАК дает нам доказательства дополнительных CP-нарушений в составных частицах, включающих странные, нижние или даже очарованные кварки. CP-нарушение - это мера того, как частицы ведут себя определенным образом иначе, чем их античастицы. Одно из интригующих отличий заключается в том, что если частицы могут распадаться двумя разными путями, то их античастицы должны распадаться по своим антипутевым аналогам, но могут предпочесть один путь другому способом, отличным от того, который предпочитают частицы. Количество CP-нарушения в b-кварках, в частности, больше, чем мы ожидали, что может быть важно для различий между материей и антиматерией во Вселенной. Но это сказало…
Не найдено: Ответ на проблему бариогенеза. Есть ли новая физика, которая происходит в электрослабом масштабе? Есть ли надежда на механизм Аффлека-Дайна? Если хотя бы одно из этих утверждений верно, БАК может выявить эти потенциальные подсказки. Отсутствие таких намеков говорит нам о том, что происхождение асимметрии материи/антиматерии может существовать в другом сценарии, таком как лептогенез или существование сверхтяжелых бозонов, но есть еще много физики ТэВ-масштаба, которую нужно исследовать. С более ранними намеками на гораздо большее CP-нарушение в секторе b-кварков, чем мы предполагали, БАК может пролить важный свет на эту великую нерешенную проблему в физике.
Найдено: сохранение нейтрального тока. Это было огромное предсказание Стандартной модели, которая жестко ограничивает многие расширения, выходящие за рамки Стандартной модели. Если бы вы могли превратить нижний кварк в странный или нижний кварк, верхний - в очарованный или верхний кварк, или тау - в мюон или электрон посредством обмена нейтральным бозоном (например, Z⁰), это было бы примером изменяющий вкус нейтральный ток. Стандартная модель запрещает это; они существуют только в теориях, которые добавляют дополнительные частицы и взаимодействия, таких как теории Великого объединения. До сих пор показано, что все нейтральные токи сохраняются, что является огромной победой Стандартной модели. Это может разочаровать некоторых людей, которые вложили значительные средства в определенные варианты физики за пределами Стандартной модели, но лучшее понимание Вселенной - хорошая новость для физиков во всем мире.
Но вот самое важное, что вы должны помнить о БАК: даже через пять лет после того, как мы открыли бозон Хиггса, мы собрали только примерно 2% данных, которые он собирался собрать в течение его время жизни. Если есть необычные распады, дополнительные частицы, новая физика в электрослабом масштабе, связь между тяжелыми частицами и новой физикой (стерильные нейтрино, темный сектор, экзотическая/неоткрытая материя) и т. д., у нас будет в 50 раз больше данных. в ближайшие 15-20 лет, чтобы искать его. Возможно, больше всего беспокоит то, что здесь есть новая, интересная физика, но поскольку мы можем сохранить только около 0,0001% данных о столкновениях, мы неосознанно их выбрасываем.
Многие физики по понятным причинам обеспокоены тем, что БАК до сих пор не обнаружил доказательств существования физики за пределами Стандартной модели, и что сам бозон Хиггса выглядит удручающе точно в соответствии с этими хорошо зарекомендовавшими себя предсказаниями. указал бы. Но это не должно быть сюрпризом! Мы уже знаем, что помимо Стандартной модели есть физика, и знаем, что найти ее непросто. Как писал Тим Гершон в CERN Courier:
Пока бозон Хиггса действительно выглядит как СМ, но необходима некоторая перспектива. От открытия нейтрино до осознания того, что оно не безмассовое и, следовательно, не похожее на СМ, прошло более 40 лет; Решение этой загадки теперь является ключевым компонентом глобальной программы физики элементарных частиц. Что касается моей основной области исследований, то прекрасный кварк - , которому в прошлом году исполнилось 40 лет - , является еще одним примером давно существующей частицы, которая теперь дает захватывающие намеки на новые явления… Один захватывающий сценарий, если эти отклонения от СМ подтверждается, заключается в том, что новый физический ландшафт можно исследовать как с помощью b-микроскопа, так и с помощью микроскопа Хиггса.
Есть все основания для оптимизма, поскольку БАК будет производить тонны b-мезонов и b-барионов, а также больше бозонов Хиггса, чем любой другой источник частиц вместе взятый. Конечно, самым большим прорывом, на который мы могли бы надеяться, было бы обнаружение совершенно новой частицы и доказательство одного из величайших теоретических открытий, которые доминировали в физике элементарных частиц в последние десятилетия: суперсимметрия, дополнительные измерения, многоцветие или великое объединение. Но даже в отсутствие этого есть чему поучиться на фундаментальном уровне о том, как работает Вселенная. Существует множество признаков того, что природа играет по правилам, которые мы еще полностью не открыли, и этого более чем достаточно для того, чтобы продолжать поиски. У нас уже есть машина, и очень скоро данные поступят в беспрецедентном количестве. Какие бы новые подсказки ни скрывались в масштабе ТэВ, они скоро станут доступны.