Fizyka cząstek elementarnych w 2013 r. • Igor Iwanow • Wiadomości naukowe na temat "Elementów" • Fizyka

Fizyka cząstek elementarnych w 2013 roku

Ryc. 1. Kolaż zdjęć wybranych przez redaktorów czasopism Fizyka z wybranych pamiętnych publikacji roku 2013 w czasopismach amerykańskiej społeczności fizycznej. Obraz z physics.aps.org

Zakończyła się pierwsza faza Wielkiego Zderzacza Hadronów, aw fizyce cząstek elementarnych w ubiegłym roku nastąpiło pewne wytchnienie. Gorączkowa analiza danych, które towarzyszyły całemu 2012 r., Została zastąpiona okresem dogłębnej refleksji nad bieżącą sytuacją i planami na przyszłość. Z powodu przestojów LHC, w 2013 r. Na pierwszym planie pojawiły się inne eksperymenty badające cząstki elementarne – akceleratory, obserwacje i badania astrofizyczne.

Co było interesujące w zderzaczu?

Główna uwaga w fizyce cząstek elementarnych teraz iw niedalekiej przyszłości skupi się na nowych danych z Wielkiego Zderzacza Hadronów. Rok 2012 był naznaczony dwoma ważnymi rezultatami: odkryciem bozonu Higgsa i pierwszymi wskazaniami długo oczekiwanego, wyjątkowo rzadkiego rozpadu Bs-meson, bardzo ważne dla testowania wielu teorii Nowej Fizyki. Rozpad bozonów Higgsa na dwa fotony wykazał wtedy zauważalną różnicę w stosunku do Modelu Standardowego (SM), który teoretycy zaczęli interpretować na różne sposoby. Rozpad Bs-powiedział jednak, że zgadza się z CM, ale nadal pozostawia pole dla różnych teorii. Oczywiście, były inne odkrycia i nowe wyniki, ale nie znaleziono zjawisk znacznie wykraczających poza zakres Modelu Standardowego.

W 2013 r. Zderzak został zatrzymany w celu planowanego uaktualnienia. Nowe dane na temat zderzeń protonów nie zostały zebrane, więc fizycy mogli analizować wszystkie statystyki zgromadzone do tego czasu bez pośpiechu. W 2013 r. Grupy eksperymentalne ukończyły i opublikowały kilkaset takich badań dla różnych procesów; niektóre z nich zostały opisane w naszym newsletterze LHC. Pod koniec roku sytuację z kluczowymi celami zderzacza można scharakteryzować w następujący sposób:

  • Obraz z bozonem Higgsa staje się coraz bardziej pesymistyczny: zaktualizowane pomiary są zgodne z Modelem Standardowym. W marcu współpraca CMS, po całkowitym zrekonstruowaniu danych i podwójnej weryfikacji interpretacji, zmieniła wnioski dotyczące rozpadu bozonu na dwa fotony. Jeśli w 2012 roku, wraz ze współpracą siostry ATLAS, zgłosiła znaczny wzrost tego spadku w porównaniu ze standardowymi prognozami, teraz widzi osłabiony spadek.Tak więc nagle zniknęła zagadka rozpadu dwufotonowego, która wprawiła wyobraźnię fizyków w 2012 roku. Jeśli na końcu zderzak znajdzie tu jakieś odchylenie, będzie bardzo mały. Pod koniec roku przedstawiono dane na temat rozpadu bozonu Higgsa na cząstki materii (ryc. 2); tutaj także wszystko okazało się bardzo standardowe.

    Ryc. 2 Rekonstrukcja zdarzenia-kandydata na narodziny i rozpad bozonu Higgsa na dwa leptony tau zarejestrowane przez detektor ATLAS. Analiza takich rozpadów bozonu Higgsa na cząstki materii potwierdza standardowość otwartego bozonu. Obraz z twiki.cern.ch

  • Rozpad Bs-mówienie na mionowej parze anty-mionowej zostało ostatecznie potwierdzone i przeniesione do kategorii pełnych odkryć. Zgadza się również z Modelem Standardowym. Jednak błąd pomiaru wynosi nadal 25%, więc nadal istnieje możliwość wykrycia znaczących odchyleń.
  • Poszukiwanie supersymetrii na dziesiątki różnych sposobów niezmiennie dało wynik negatywny. To oczywiście nie zamknęło supersymetrii jako idei, ale przynajmniej rozproszyło nadzieje wielu fizyków na cały fajerwerk nowych efektów zmałe energie. Teoretycy są teraz zmuszeni do zmiany swojego podejścia do tej teorii i do tego, czego można oczekiwać od niej w przyszłości.
  • Kontynuując temat supersymetrii, do wyników 2013 roku, ale już w teoretycznej fizyce cząstek elementarnych, konieczne jest uwzględnienie stopniowo nadchodzącego zrozumienia, że ​​te negatywne dane nie są tak szkodliwe dla supersymetrii, jak wydawało się teoretykom rok lub dwa lata temu. Okazuje się, że nawet proste odmiany modeli supersymetrycznych można łatwo pogodzić z aktualnymi danymi. Jak naturalne z punktu widzenia teorii jest takie "rozciągnięcie" tych modeli, to kolejne pytanie, na które teoretycy zaczęli zwracać coraz większą uwagę.

Aby być uczciwym, muszę powiedzieć, że nie wszystkie wyniki uzyskane w Wielkim Zderzaczu Hadronów są w doskonałej zgodności z Modelem Standardowym; przykłady na konkretne tematy można znaleźć na stronie wyników naukowych zderzacza. Jednak żadne odchylenie nie jest jeszcze istotne statystycznie.

Wszystkie opisane powyżej wyniki oczywiście mocno zahamowały naukową ekscytację towarzyszącą uruchomieniu zderzacza. Nie oznacza to jednak, że ten zderzacz przestanie już pasować.Wręcz przeciwnie – wraz z nową sesją pracy, która odbędzie się w latach 2015-2017, łączą się nowe, jeszcze bardziej uzasadnione oczekiwania. Po pierwsze, energia zderzeń wzrośnie, co oznacza, że ​​reakcje, które nie zaszły tak daleko, staną się możliwe. Po drugie, jasność zderzacza wzrośnie kilka razy. Teraz fizycy już nie "zanurzają się w nieznane", wyraźnie rozumieją, jakie pomiary i z jaką dokładnością mogą wykonać w każdym przypadku – i w tych pomiarach może być również niespodzianka. I nawet jeśli ten drugi etap pracy nie przyniesie żadnych odkryć, to po kilku kolejnych latach planowana jest kolejna faza pracy przy jeszcze większej jasności. Warto pamiętać, że obecne statystyki są jedynie procentami ilości informacji, jakie będą mieli fizycy w ciągu 10 lat, więc jest za wcześnie, aby się spieszyć z wnioskami.

Poza Wielkim Zderzaczem Hadronów

Fizyka cząstek elementarnych badana jest nie tylko w Wielkim Zderzaczu Hadronów; Na świecie jest teraz kilkadziesiąt innych eksperymentów z akceleratorem. W przeciwieństwie do wielozadaniowych LHC, są one zaprojektowane do ich, czasami całkiem specjalnych zadań, i chociaż nie mogą pochwalić się ogromnymi energiami, radzą sobie z tymi zadaniami.Są to, na przykład, zderzacze zaprojektowane dla mniejszych energii lub bardzo specjalne eksperymenty, które starannie badają właściwości cząstek elementarnych, próbują osiągnąć rekordową dokładność lub rejestrują bardzo rzadkie zjawiska.

Ciekawy wynik dotyczący właściwości hadronów uzyskano w ubiegłym roku dzięki współpracy BESIII w chińskim akceleratorze BEPC i współpracy Belle w japońskim centrum akceleracyjnym KEK. Oba eksperymenty badały proces narodzin zestawu cząstek π+πJ / ψ w zderzeniach elektron-pozyton i dzięki temu odkryli nowy stan czterokarowy Zc(3900) (patrz rys. 3).

Ryc. 3 Rozkład zdarzeń przez niezmienną masę pary π+J / ψ (po lewej: Dane BESIII po prawej: Dane Belle). Czysty pik o masie 3,9 GeV wskazuje na obecność nowej struktury o egzotycznych właściwościach Z.c(3900). Obrazy z omawianych artykułów

Ściśle mówiąc, nie zostało jeszcze udowodnione, że Zc(3900) – to cała cząstka; może to być nienormalnie silnie oddziałująca para mezonów D. Dlatego eksperymentatorzy mówią ostrożnie w swoich wiadomościach: odkryto nową strukturę o egzotycznych właściwościach. Ale jeśli jest to pełnoprawna cząstka, to powinna składać się z dwóch kwarków i dwóch antykwarków, połączonych silną interakcją w jedną całość.Takie cząstki wielo-kwarkowe są niezwykle rzadkim zjawiskiem w rodzinie hadronów. Zwykle wszystkie mezony składają się z kwarka i antykwarki, a do niedawna nie było w ogóle wiadomo, czy natura pozwala na bardziej złożone formacje. Pierwszy przykład stanu czterokarowego odkryto zaledwie 10 lat temu, a od tego czasu rodzina egzotycznych hadronów została bardzo niechętnie uzupełniona. Nowa cząstka jest interesująca pod tym względem, że całkowicie niezawodnie wskazuje na obecność co najmniej czterech kwarków. Sądząc po masie i rozkładzie, powinien zawierać c-anty-c-parę, podobnie jak inne stany charmonium. Ale taka para byłaby neutralna elektrycznie, podczas gdy Zc(3900) opłata; oznacza to, że są w nim inne kwarki.

Poszukiwanie drobnych właściwości i niezwykle rzadkich procesów zostało oznaczone w 2013 r. Dwoma bardzo zauważalnymi wynikami. Najpierw zdobył nową generację eksperymentu wyszukiwania ACME elektryczny moment dipolowy (EDM) elektron. W ramach Modelu Standardowego ta charakterystyka elektronu powinna być niezwykle mała, znacznie mniejsza niż błędy współczesnych eksperymentów, więc wszelkie próby jej pomiaru doprowadziły do ​​zera.Jednak w niektórych postaciach Nowej Fizyki, elektron EDM może być znacznie ulepszony, a jeśli tak, to poszukiwania powinny wkrótce zakończyć się sukcesem. Dlatego zadaniem eksperymentatorów jest próba poprawienia dokładności w celu wychwycenia słabego efektu niezerowego EDM. Eksperyment ACME znacznie zmniejszył błąd pomiaru po raz pierwszy od początku 2000 roku, ale wynik nadal wynosił zero. Jest to jednak tylko pierwsza jaskółka; W nadchodzących latach powinniśmy oczekiwać dalszej poprawy dokładności, zarówno w ACME, jak iw innych eksperymentach.

Ryc. 4 Schematyczne przedstawienie zdarzenia podobnego do zaniku mionu w elektron i foton w detektorze MEG. Obraz z meg.web.psi.ch

Po drugie, współpraca MEG donosi o nowych wynikach wyszukiwania dla niezwykle rzadkich rozpad mionu na elektron i foton (Ryc. 4). W ramach Modelu Standardowego prawdopodobieństwo tego rozpadu jest niewyobrażalnie małe, mniejsze niż 10-50dlatego każda niezawodnie zarejestrowana ilość będzie wskazywać Nową Fizykę. W swoim artykule współpraca MEG poprawiła swój wynik pięć lat temu pięć razy. Pożądany zanik nadal nie jest widoczny, ale teraz górna granica jego prawdopodobieństwa wynosi 5,7 · 10-13. Również w tym roku przedstawiono projekt modernizacji tego eksperymentu, który poprawi to ograniczenie o rząd wielkości.

Wyniki na przecięciu fizyki cząstek elementarnych i astrofizyki

Ryc. 5 Okładka magazynu Nauka do 22 listopada 2013 r. z obrazem reakcji, która pozostawiła neutrino energią 250 TeV zarejestrowaną przez detektor IceCube. Obraz z sciencemag.org

Własności cząstek elementarnych można badać nie tylko poprzez odtworzenie ich w laboratorium, ale także obserwując przepływy cząstek docierających do nas z kosmosu. Oczywiście, warunki tutaj nie są tak "sterylne" jak w laboratorium, ale Wszechświat jest zdolny do przyspieszania cząstek do takich energii, które nie są jeszcze dla nas dostępne.

Wyjątkowy wynik roku 2013 był pierwszym rejestracja neutrin ultrawysokiej energii w teleskopie neutrinowym IceCube (ryc. 5). Jest to ogromna, o sześciennym kilometrze sieć czujników światłoczułych, zanurzonych w grubość antarktycznego lodu i obserwujących blask szerokiego prysznica generowanego przez wysokoenergetyczną cząstkę. Ilość światła zebranego przez czujniki informuje o uwolnionej energii, a dokładny czas każdego z nich wyzwala przywrócenie wzorca propagacji cząstek, a tym samym określa kierunek, z którego przybył neutrino.

Do tej pory IceCube rejestrował tylko neutrina o umiarkowanie wysokiej energii, które mogły być również spowodowane przez neutrina, które pojawiły się w ziemskiej atmosferze, gdy zderzają się wysokoenergetyczne cząstki promieni kosmicznych. Jednak w dwóch artykułach opublikowanych w tym roku (MG Aartsen i inni, First Neutrinos z IceCube i IceCube Collaboration, Dowody na obecność wysokoenergetycznych pozaziemskich neutronów w detektorze IceCube), współpraca IceCube donosi, że udało jej się uzyskać wystarczającą ilość liczba zdarzeń z ekstremalnie wysokimi energiami neutrin. W dwóch przypadkach energia neutrin przekroczyła nawet 1 PeV (petaelektronowolt), który jest 250 razy większy niż energia protonu w Wielkim Zderzaczu Hadronów!

Takiej ilości wysokoenergetycznych neutrin do źródła atmosferycznego nie można już ignorować. Tak więc detektor IceCube po raz pierwszy złapał prawdziwe ultrafiole kosmiczne, pochodzące z kosmosu i przenosząc informacje o procesach, które miały tam miejsce z ogromną koncentracją energii. Z uwagi na to, że neutrina przelatują przez wszystkie przeszkody i nie są odbijane przez pole magnetyczne galaktyki, pozwalają nam na świeże spojrzenie na takie procesy, które otwierają przed nami "wizję neutrin".

Na rys. 6 pokazuje rozkład nieba wszystkich 28 wysokoenergetycznych neutrin o energii powyżej 30 TeV, zarejestrowanych przez detektor IceCube.Ciekawe, że pięć zdarzeń naraz tworzy zwartą grupę, co może sugerować, że wszystkie z nich mogły być emitowane przez jakiś rodzaj o jeden niezwykle potężne kosmiczne źródło neutrin. Niestety, testy statystyczne pokazują, że do tej pory wniosek ten jest nieuzasadniony – takie grupowanie mogłoby zostać utworzone przez przypadek. Ale sytuacja może stać się bardziej interesująca, gdy statystyki wzrosną nawet kilka razy.

Ryc. 6 Rozkład nieba o 28 zdarzeniach neutrinowych o energiach powyżej 30 TeV zarejestrowanych przez detektor IceCube. Według koloru odzyskane kierunki przylotu neutrin są pokazane w granicach błędu; blady kolor pokazuje, że to zdarzenie neutrinowe jest słabo oddzielone od tła neutrin atmosferycznych, jasny kolor oznacza, że ​​gwarantowane jest, że wydarzenie neutrinowe ma kosmiczne pochodzenie. Zdarzenia są nanoszone na mapie nieba we współrzędnych galaktycznych. Obraz z sciencemag.org

W ubiegłym roku uzyskano nowe wyniki eksperymentalne dla bezpośrednie wyszukiwanie cząstek ciemnej materii. Najważniejszą wiadomością były pierwsze wyniki eksperymentu LUX, wydane w październiku.Jest to duży podziemny wykrywacz ksenonowy, pierwszy łyk nowej generacji detektorów o masie roboczej około tony, która w nadchodzących latach dołączy do tego wyścigu. Detektor LUX nie dostrzegł wiarygodnych dowodów na korzyść zderzeń spowodowanych przez cząstki ciemnej materii, a tym samym ustanowił bardziej rygorystyczne ograniczenia przekroju w przypadku zderzenia tych cząstek z substancją roboczą.

Ale to, co jest tutaj interesujące, to nie samo ograniczenie, ale fakt, że dane te są sprzeczne z raportami obserwując (a raczej wskazując na istnienie) cząstek ciemnej materii w eksperymencie CDMS. Najnowsze wyniki nowej fazy prac CDMS zostały opublikowane w grudniu. Współpraca nadal utrzymuje, że widzi jakiś sygnał, który można zinterpretować jako manifestację cząstek ciemnej materii o masie około 9 GeV. Nie jest jasne, jak pogodzić te sprzeczne wyniki ze sobą.

Jeśli detektory naziemne próbują zarejestrować cząstki o wysokiej przenikalności (neutrina, ciemna materia), wówczas eksperymenty obserwacyjne w satelitach badają kosmiczne promienie naładowanych cząstek – przede wszystkim protony, lekkie jądra, elektrony i ich antycząsteczki.Szczególnie interesujące dla fizyków są zagadki związane z pozytonami o energiach rzędu 100 GeV i wyższych, co spowodowało wiele hałasu kilka lat temu. W tym roku pierwsze dane z nowego dużego detektor satelitarny AMS-02. W skrócie, AMS-02 dokładnie zmierzył region energii, w którym w przeszłości eksperymenty zaobserwowały pewne osobliwości, a te osobliwości zostały potwierdzone. Jednak AMS-02 ma szansę jeszcze bardziej zwiększyć skalę energetyczną, a tym samym być może dokonać nowych odkryć. Współpraca właśnie rozpoczyna tę analizę. Tymczasem teoretycy nadal łamią włócznie wokół tajemnic kosmicznych pozytronów.

Społecznie istotne wydarzenia

Fizyka cząstek elementarnych w tym roku była nadal powszechnie słyszana przez opinię publiczną. Główną informacyjną okazją była oczywiście nagroda Nobla w dziedzinie fizyki dla François Engler i Petera Higgsa. Nagroda ta została oznaczona przez ich pracę pół wieku temu, która położyła teoretyczne podstawy ważnego zjawiska, które nosi teraz nazwę mechanizmu Higgsa. Po odkryciu bozonu Higgsa, cząstki echa tego mechanizmu, ogłoszono w CERN rok temu, kwestia przyznania nagrody została zasadniczo rozwiązana.

Duże zainteresowanie, któremu towarzyszył jednak szeroki wachlarz odpowiedzi, było również spowodowane kolejną nagrodą w postaci nowej nagrody Fundamental Physics, stworzonej i sponsorowanej przez rosyjskiego biznesmena Jurija Milnera. W tym roku ogłoszono laureatów tej nagrody na rok 2014: Michael Green i John Schwartz otrzymają nagrodę za ich wybitny wkład w tworzenie i rozwój teorii superstrun.

Cóż, jeśli wrócisz z opinii publicznej do fizyków badających świat cząstek elementarnych, to dla nich wydarzenie Snowmass 2013 stało się o wiele ważniejsze – długi proces podsumowywania i kształtowania nowej wizji celów i zadań fizyki cząstek elementarnych w niedalekiej przyszłości. Pomimo faktu, że pewien nacisk położono na rolę Stanów Zjednoczonych, główny rezultat tego procesu – długa lista bardzo szczegółowych przeglądów różnych aspektów fizyki cząstek elementarnych – przyda się prawie wszystkim badaczom.

Źródła:
1) Współpraca BESIII. Obserwacja naładowanej struktury Charmonium+e → π+πJ / ψ przy vs = 4,26 GeV // Phys. Rev. Lett. 110, 252001 (2013); Artykuł dostępny jest również jako e-print arXiv: 1303.5949.
2) Belle Collaboration. Badanie e+e → π+πJ / ψ i obserwacja naładowanego stanu przypominającego charmonium w Belle // Phys. Rev. Lett. 110, 252002 (2013); Artykuł dostępny jest również jako e-print arXiv: 1304.0121.
3) Współpraca ACME. Dipolowy moment porządku wielkości elektronu | Nauka (2013), wstępna publikacja online 19 grudnia 2013 r .; Artykuł dostępny jest również jako e-print arXiv: 1310.7534.
4) J. Adam i in. (MEG Collaboration). Nowe ograniczenia dotyczące istnienia μ+ → Eγ Decay // Phys. Rev. Lett. 110, 201801 (2013); Artykuł jest dostępny jako e-print arXiv: 1303.0754.
5) M.G. Aartsen i in. (Współpraca z IceCube). Pierwsza obserwacja neutronów PeV-Energy za pomocą IceCube // Phys. Rev. Lett. 111, 021103 (2013); Artykuł dostępny jest w wersji elektronicznej: 1304.5356.
6) Współpraca z IceCube. Dowody na obecność wysokoenergetycznych pozaziemskich neutronów w detektorze IceCube // Nauka 342, 1242856 (2013); Artykuł jest dostępny jako e-print arXiv: 1311.5238.
7) D.S. Akerib i in. Pierwsze wyniki z laboratorium badawczego Sanford // e-print arXiv: 1310.8214.
8) R. Agnese i in. (CDMS Collaboration). Detektor silikonowy CDMS II Phys. Rev. Lett. 111, 251301 (2013); Artykuł dostępny jest również w formie e-print arXiv: 1304.4279.
9) M. Aguilar i in. (AMS Collaboration). Pierwszy wynik magnetycznego spektrometru na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej: Kosmiczne promienie 0,5-350 GeV // Phys. Rev. Lett. 110, 141102 (2013).

Zobacz także:
1) Najważniejsze wydarzenia roku – wybór najbardziej pamiętnych wyników opublikowanych w 2013 r. W czasopismach amerykańskiej społeczności fizycznej.
2) Wielki Zderzacz Hadronów – projekt na "Elementy".
3) Opublikuj wyniki LHC z ostatnich 12 miesięcy.
4) Bozon Higgsa: odkrycie i plany na przyszłość, "Elementy", 16.07.2012.
5) Rozpad bozonu Higgsa na cząstki materii jeszcze bardziej świadczy o jego standardzie, "Elements", 12/09/2013.
6) Wyniki CMS i LHCb dla rozpadu Bs → μ+μ United, "The Elements", 29.07.2013.
7) Supersymetria w świetle danych LHC: co dalej ?, "Elements", 07.01.2013.
8) Pierwsze wyniki eksperymentu ACME: moment dipolowy elektronów to nadal zero, "Elements", 12/30/2013.
9) F. Halzen. Obserwowanie wysokoenergetycznych neutrin za pomocą IceCube // SPIE Newsroom, 26 listopada 2013 r.
10) Eksperyment LUX nie wykrył jeszcze cząstek ciemnej materii, "Elements", 31.10.2013.
11) R. F. Lang. Do góry nogami Fizyka 6, 136 (2013).
12) Pierwsze wyniki eksperymentu AMS-02 są interesujące, ale nie przyniosły sensacji "Elementy", 04.04.2013.
13) Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki – 2013, "Elementy", 10.10.2013.
14) Największe spotkanie Snowmass-2013 podsumowuje "Elementy", 11.06.2013.
15) Strona nagród Fundamental Physics.

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: