Tanda-tanda "fisika baru" muncul dalam dua eksperimen besar. Tevatron Hadron Collider merekam partikel di tempat yang tidak semestinya, dan eksperimen luar angkasa PAMELA menemukan jejak peluruhan partikel materi gelap. Kedua fakta tersebut sangat cocok dengan teori bahwa "kekuatan gelap" itu ada
Sementara Large Hadron Collider (LHC) sedang bersiap untuk perbaikan setelah kecelakaan besar di bulan September, Tevatron Amerika, yang bertahan beberapa bulan terakhir sebagai akselerator paling kuat di planet ini, telah memberikan kejutan yang tak terduga kepada fisikawan. Akhir pekan lalu, kolaborator CDF yang mengerjakan detektor partikel Tevatron raksasa dengan nama yang sama menerbitkan pracetak yang menggambarkan sesuatu yang melampaui model standar partikel elementer yang hampir sakral bagi fisikawan.
Jika sinyal ini ternyata bukan merupakan efek latar belakang yang tidak diketahui, penemuan ini akan menjadi bukti duniawi pertama tentang keterbatasan model standar.
Terestrial dalam artian astrofisikawan telah lama mengetahui materi gelap dan energi gelap, yang juga tidak sesuai dengan Model Standar. Benar, praktis tidak ada yang diketahui tentang sifat-sifat partikel penyusun materi gelap.
Tevatron dan muon ekstra
Dengan detektor CDF, fisikawan mempelajari partikel yang dihasilkan oleh tumbukan proton - partikel bermuatan positif yang membentuk semua inti atom, dan antiproton - antipoda bermuatan negatif. Dalam akselerator Tevatron, seperti namanya, partikel-partikel ini dipercepat menjadi energi hampir 1 TeV, atau 1000 GeV - seribu miliar elektron-volt, dan energi tumbukan, karenanya, hampir 2000 GeV, yang memungkinkan untuk menciptakan berbagai, bahkan sangat masif. partikel dasar.
Namun, bahkan tidak mungkin untuk sekadar memperbaiki keberadaan sebagian besar partikel yang menarik. Biasanya, mereka tidak stabil dan berubah menjadi beberapa partikel yang lebih ringan dalam sepersekian detik. Ini adalah sifat dari produk peluruhan yang diukur oleh detektor, dan fisikawan kemudian, sesuai dengan metafora terkenal, "mencoba memulihkan jarum jam, memeriksa pecahan roda gigi yang bertabrakan dengan kecepatan mendekati cahaya."
Salah satu "roda gigi" paling populer dari jenis ini adalah muon. Dalam hal sifatnya, muon sangat mirip dengan elektron biasa yang mengorbit inti atom. Namun, muon jauh lebih masif, dan karena itu memiliki nilai khusus bagi fisikawan eksperimental. Pertama, lebih sulit untuk "menyesatkan" mereka saat bertemu dengan proton dan elektron dari detektor, dan kedua, dalam tumbukan itu sendiri, lebih sedikit dari mereka yang lahir, dan lebih mudah untuk melihat jejak mereka di detektor daripada lintasan terjerat banyak elektron.
Salah satu partikel yang telah dipelajari secara aktif menggunakan muon adalah yang disebut B-meson, yang termasuk b-quark (atau antiquark) berat.
Dan di sini muon untuk waktu yang lama memimpin para peneliti di dekat hidung.
Teori struktur dan interaksi kuark - kromodinamika kuantum - memungkinkan Anda menghitung probabilitas produksi meson-B dan partisipasinya dalam berbagai interaksi. Oleh karena itu, dimungkinkan untuk memperkirakan jumlah muon yang akan lahir selama peluruhan partikel ini. Namun, dalam percobaan tersebut, lebih banyak muon yang diproduksi daripada yang direncanakan. Selain itu, metode lain untuk mengukur properti B-meson menunjukkan hasil yang lebih baik dan lebih sesuai dengan teori. Jadi para peneliti memiliki semakin sedikit alasan untuk menuduh ahli teori tidak tahu bagaimana menghitung (dan perhitungan dalam kromodinamika kuantum sangat sulit).
Alasan perbedaan ini tetap menjadi misteri untuk waktu yang lama, sampai para ilmuwan menemukan bahwa beberapa muon, yang diambil oleh fisikawan sejak lama untuk produk peluruhan B-meson, sebenarnya tidak ada hubungannya dengan mereka. Faktanya adalah bahwa B-meson hidup untuk waktu yang sangat singkat dan, setelah lahir dalam tumbukan proton dan antiproton, berhasil terbang menjauh dari sumbu tabung hampa, tempat tumbukan terjadi, hanya sebesar 1-2 mm. Di sini ia meluruh menjadi muon. Ketika para ilmuwan menemukan di mana muon yang direkam oleh detektor mereka, masalah B-meson terpecahkan: ternyata, beberapa di antaranya muncul lebih jauh dari sumbu, dan kontribusi "muon ekstra" ini ke hasil akhir secara tepat menjelaskan perbedaan dengan teori tersebut.
Tapi dari mana asal muon "ekstra" itu?
Beberapa dari mereka berasal pada 3 mm dari sumbu, pada lima, dan pada tujuh; beberapa benar-benar berada di luar tabung vakum, yang sebenarnya tidak cocok dengan gerbang mana pun.
"Sensasi" fisik yang baru lahir terhubung dengan partikel-partikel ini. Kata ini, jarang untuk ilmu pengetahuan yang terhormat, sebenarnya mencirikan kegembiraan para ahli teori dan peneliti dengan cara terbaik. Diskusi tentang realitas sinyal yang ditemukan oleh kolaborasi CDF sudah berkecamuk di blog profesional fisikawan, dan di situs web pracetak elektronik di Cornell University selama tiga hari berturut-turut, semakin banyak penjelasan teoretis tentang apa yang mereka lihat muncul.
Partikel baru?
Pada prinsipnya, terdapat berbagai macam alasan untuk kemunculan partikel yang tidak perlu, atau, seperti yang dikatakan fisikawan, partikel "latar belakang", dan sebagian besar artikel oleh kolaborasi CDF dikhususkan untuk analisis kemungkinan alasan munculnya sinyal yang tidak menarik bagi "fisika baru" di luar standar. model. Mungkin kita tidak memperhitungkan beberapa partikel lain dari mana muon dilahirkan - misalnya, sinar kosmik, atau mungkin kita mengambil produk peluruhan lain dari partikel yang lahir di Tevatron untuk muon? Akhirnya, mungkin sinyal dalam detektor itu sendiri, yang kita ambil untuk jejak muon, tidak seperti itu - kebisingan, fluktuasi statistik, artefak dari metode yang ganas dari pemrosesan matematis dari hasil percobaan?
Video promosi:
Menurut penulis karya terakhir, mereka gagal menemukan penjelasan "standar".
Perlu dicatat bahwa hampir sepertiga dari kolaborasi - sekitar 200 dari 600 orang - menolak untuk menandatangani artikel, yang telah menjalani "audit internal" selama hampir enam bulan. Oleh…
Semuanya tampak seolah-olah mereka berhasil menemukan tanda-tanda keberadaan beberapa partikel baru yang hidup lebih lama dari B-meson, dan itu tidak memiliki tempat dalam fisika yang kita kenal. Namun, para ilmuwan masih menahan diri dari pernyataan langsung seperti itu: pengalaman seluruh generasi fisikawan, yang berulang kali diyakinkan akan penerapan model standar untuk fenomena yang tampaknya sama sekali tidak dapat dijelaskan, membuat dirinya terasa. Tapi tidak mungkin untuk mengabaikan hampir 100 ribu peristiwa yang direkam oleh salah satu instrumen terbaik dari akselerator terkuat di Bumi.
Sifat-sifat muon "ekstra" luar biasa dalam dan dari dirinya sendiri. Salah satu yang paling mencolok adalah bahwa mereka sangat sering dilahirkan dalam "paket" - bukan satu partikel pada satu waktu, tetapi dua, tiga, bahkan delapan sekaligus. Selain itu, sebagai aturan, dari titik di mana mereka dilahirkan, mereka tidak terbang ke segala arah, tetapi kira-kira ke arah yang sama - para ilmuwan bahkan menggunakan istilah "muon jet". Dan energi karakteristik dari partikel baru yang tidak diketahui - jika memang ada - adalah beberapa GeV. Dengan kata lain, "fisika baru" - jika kita benar-benar mulai membedakannya dalam kabut muon - dimulai pada energi bukan dalam ribuan GeV, yang diarahkan oleh monster seperti LHC, tetapi jauh lebih awal.
Dan properti ini secara mencolok mendekati hasil dari akselerator terestrial dengan data yang diterbitkan hanya beberapa hari sebelumnya dari detektor antipartikel ruang PAMELA.
Fraksi positron sebagai fungsi energi // PAMELA Group, arXiv.org
Hasil Eksperimen PAMELA
Kendaraan penelitian internasional PAMELA di atas satelit buatan Rusia "Resurs-DK1" secara andal mencatat kelebihan positron berenergi tinggi dalam aliran ruang bermuatan …
Menurut banyak astrofisikawan, kelebihan positron berenergi tinggi (antipartikel ke elektron) dalam sinar kosmik muncul dari peluruhan atau pemusnahan partikel materi gelap misterius. Ini adalah elemen fisika lain di luar model standar, yang keberadaannya (dan bahkan didominasi oleh massa) telah lama diketahui oleh para astronom, tetapi tidak dapat mengatakan apa pun yang bermanfaat: itulah sebabnya ia adalah materi gelap, ia tidak terlihat, dan keberadaannya muncul hanya melalui gravitasi.
Kekuatan Gelap
Ternyata, kuartet ahli teori dari Princeton, Harvard dan New York sudah memiliki penjelasan tentang hasil PAMELA, yang berguna dengan data baru dari Tevatron. Menurut Nima Arkanihamed dan rekan-rekannya, dalam kerangka model supersimetris mereka, penjelasan terpadu dan alami diperoleh untuk kelebihan positron yang dapat diukur dengan andal oleh aparatus PAMELA, kelebihan sinar gamma yang hampir tidak terlihat datang entah dari mana, dan cahaya berkabut dari pusat galaksi dalam gamma dan berkas radio yang direkam oleh satelit astrofisika lainnya.
Sesuai dengan modelnya, partikel materi gelap memiliki massa sekitar 1000 GeV dan tidak berpartisipasi dalam interaksi yang kita ketahui. Namun, mereka bekerja satu sama lain dengan bantuan gaya "gelap" jarak pendek, yang dibawa oleh partikel gelap lain dengan massa sekitar 1 GeV. Dengan kata lain, pada tiga jenis interaksi biasa, yang bekerja hanya pada materi biasa (elektromagnetik dan nuklir, lemah dan kuat), ada satu lagi yang ditambahkan, yang hanya bertindak di dunia materi gelap. Gravitasi, seperti biasa, berdiri terpisah, menghubungkan kedua dunia.
Para ahli teori membutuhkan gaya "gelap" untuk mengikat partikel materi gelap menjadi semacam "atom", di mana salah satu partikel gelap memiliki "muatan gelap" negatif, dan yang lainnya memiliki "muatan gelap" positif. Hanya pembentukan "atom" yang memungkinkan materi gelap memusnahkan cukup kuat untuk menjelaskan hasil pengamatan astrofisika (inilah yang disebut mekanisme Sommerfeld).
Namun, partikel yang membawa gaya "gelap" sudah bisa langsung membusuk dengan emisi partikel biasa, dan partikel inilah, menurut Arkanihamed dan rekan-rekannya, yang mungkin bertanggung jawab atas munculnya muon "ekstra".
Selain itu, peluruhan partikel gelap yang bermuatan muatan gelap secara alami berlangsung dalam kaskade hingga mencapai partikel gelap stabil paling terang, yang tidak memiliki bahan untuk membusuk. Setiap langkah kaskade ini melibatkan partikel - pembawa gaya gelap, dan karena itu muon tambahan dapat muncul di setiap langkah. Begitu banyak untuk muon dalam "paket". Nah, fakta bahwa mereka semua terbang ke arah yang sama hanya karena fakta bahwa partikel yang membusuk bergerak dengan cepat - jadi ledakan kembang api yang meriah sebelum mencapai titik tertinggi dari lintasan mereka, membuang seluruh pancuran cahaya terang ke depan. Begitu banyak untuk "jet".
Akan tetapi, publikasi data oleh kerjasama CDF dan PAMELA tidak diragukan lagi akan memunculkan lusinan, bahkan ratusan, kemungkinan penjelasan dalam beberapa bulan mendatang. Jadi mungkin tidak ada gunanya memikirkan model Arkanihamed. Sejauh ini, dia dibedakan hanya oleh fakta bahwa dia ternyata berada di pengadilan ketika menafsirkan data itu dan data lainnya.
Tentu saja, tidak menutup kemungkinan kedua hasil eksperimen tersebut akan mendapat penjelasan yang lebih sepele. "Ekstra muon" mungkin ternyata tidak lebih dari efek instrumental dari instalasi CDF raksasa, dan "positron ekstra" mungkin dihasilkan di sekitar bintang neutron di Galaksi kita.
Tapi prospeknya menarik. Di dunia materi gelap, yang hingga saat ini tampak seperti kekeruhan tak berbentuk di mana para astronom menyembunyikan kesalahpahaman mereka tentang struktur dunia, sebuah struktur mulai muncul - beberapa interaksi, "muatan gelap", "atom gelap". Mungkin fisika belum berakhir, dan generasi ilmuwan baru akan memiliki sesuatu untuk dipelajari di "dunia gelap".
