20.10.2015 | Наука

Физики приблизились к обнаружению «частицы силы»

В мире квантовой механики и субатомных величин физики-теоретики, как правило, идут впереди своих коллег-практиков, прогнозируя те или иные положения задолго до их экспериментального подтверждения.

Иллюстрация TU Wien

В конце 60-х годов прошлого столетия учёные впервые получили косвенные доказательства существования элементарных частиц, ответственных за перенос сильного (ядерного) взаимодействия. Что это означает? Напомним, что ядро любого химического элемента состоит из протонов и нейтронов. Но и эти части ядра не являются неделимыми, в их основе – кварки, которые связаны между собой не какими-то воображаемыми невидимыми нитями, а "склеены" с помощью вполне определённых частиц – глюонов. Glue в переводе означает "клей", отсюда и название этих элементарных (то есть уже неделимых на составляющие) частиц.

Тут стоит добавить, что все элементарные частицы бывают двух типов: бозоны, ответственные за перенос силы, и фермионы, составляющие собственно материю. Классическим примером первого типа частиц могут служить фотоны, переносящие силы электромагнитного излучения.

Глюоны можно рассматривать как более сложную разновидность фотонов. Последние, как мы уже сказали, отвечают за электромагнитные силы, а первые играют похожую роль в сильном (ядерном) взаимодействии. Но принципиальная разница заключается в том, что на глюоны, в отличие от фотонов, действуют их собственные силы. Поэтому фотоны не связываются друг с другом в частицы, а глюоны в теории могут в них объединяться.

Уже в 1972 году нобелевский лауреат Мюррей Гелл-Манн (Murray Gell-Mann) и физик-теоретик Харальд Фрицш (Harald Fritzsch) предположили, что глюоны могут связываться между собой, образуя так называемый глюоний или глюбол – частицу, состоящую из чистой силы. Другими словами, силы, объединяющие отдельные кварки, способны сами по себе объединиться и даже существовать в пространстве отдельно от своих родительских частиц.

Вскоре стало понятно, что неуловимые частицы столь нестабильны, что обнаружить их можно только по следам распада. Но сделать это на практике оказалось не так просто, потому что сценарий такого распада до сих пор не поддаётся точному расчёту.

В ходе многолетних поисков на ускорителях учёные несколько раз рапортовали об обнаружении потенциальных кандидатов на звание глюболов. Больше всего на эту роль подошли два типа мезонов – частиц, состоящих из одного кварка и одного противоположного ему антикварка, слияние которых, предположительно, и обеспечивает большую ядерную силу, связывающую более крупные частицы.

Именно эти составные части учёные и засекали в ускорителях, считая их остатками распада частиц силы. Но многие скептики считали, что сигнал, приписываемый глюболам, мог с равной долей вероятности принадлежать простым конгломератам кварков и антикварков, поэтому ни одна из предыдущих работ не была признана убедительной.

Долгое время по ряду математических критериев фаворитом считался мезон f0(1500). Правда, другой мезон f0(1710) имеет более высокую массу и лучше согласуется с моделями глюболов, созданных на компьютерах. Но физиков настораживал тот факт, что при его распаде образуется слишком много тяжёлых элементарных частиц, известных как странные кварки. Согласно базовой теории глюонные взаимодействия не делают различий между тяжёлыми и лёгкими кварками. Это означает, что при распаде физики должны были наблюдать разные частицы.

И вот теперь мы, наконец, добрались до нового исследования в этой области. В своей работе профессор Антон Ребхан (Anton Rebhan) и аспирант Фредерик Брюннер (Frederic Brünner) из Венского технического университета сообщают, что их расчёты подтверждают преимущественное образование странных кварков при распаде глюболов.

Несмотря на то, что такое поведение не соответствует существующим представлениям о кварках, полученная физиками картина распада полностью соответствовала экспериментальным данным о распаде мезона f0(1710). Учёные также показали, что могут существовать и другие варианты распада глюболов на две и более частиц.

Эта работа могла бы стать ещё одной в череде других теоретических изысканий. Но доводы физиков будут очень скоро проверены на практике. В течение ближайших месяцев два эксперимента на Большом адронном коллайдере (LHC) и один на главном детекторе Пекинского электрон-позитронного коллайдера (BEPC) помогут собрать недостающие данные и, возможно, позволят официально объявить об обнаружении ещё одной неуловимой элементарной частицы.

"Эти результаты будут иметь решающее значение для нашей теории, – поясняет Ребхан. – Мы предсказали скорости распада, которые отличаются от прогнозов других, более простых моделей. Если измерения подтвердят расчёты, это будет замечательный успех нашего подхода".

Подробные выводы учёных были опубликованы в журнале Physical Review Letters.

По публикациям UkrNet