Обнаружены новые элементарные частицы — что в них особенного и почему это важно?

Мы часть Вселенной. И это не просто слова. Каждое живое существо на нашей планете состоит из крошечных, невидимых глазу элементарных частиц. То же касается всей видимой материи, которую астрономы наблюдают с помощью телескопов. К счастью, для изучения атомов не нужно отправляться в космическое путешествие – физики прекрасно справляются с этой задачей на Земле. Например, с помощью Большого адронного коллайдера (БАК) ускоряя частицы и дробя материю на атомы.
Так, за последние годы мир узнал о существовании самых разных частиц – бозона Хиггса, тетракварков и энионов. Все эти частицы создают реальный мир и могут многое рассказать об устройстве Вселенной, например, о таинственной темной материи, увидеть которую никому не удалось. Недавно исследователи сообщили об открытии «кузена» бозона Хиггса, а также об аномалиях, предположительно вызванных стерильными нейтрино.

Обнаружены новые элементарные частицы. Неужели новая физика маячит на горизонте?

Нейтрино – загадочные квантовые частицы, массу которых трудно измерить. Нейтрино удивительны, так как масса, которую они содержат, не учитывается в Стандартной модели элементарных частиц, описывающей субатомный мир.

Мир элементарных частиц

Общая теория относительности (ОТО) с невероятной точностью описывает законы физики как на Земле так и в космосе. Эйнштейн также предсказал существование гравитационных волн и черных дыр, правда, он считал, что их обнаружение невозможно. Но несмотря на открытия последних лет, ОТО не может описать Вселенную целиком.
Масла в огонь подливает квантовая механика – фундаментальная физическая теория, которая описывает природу в масштабе атомов и субатомных частиц. Считается, что они пронизывают Вселенную и формируют фундаментальные силы природы.

Интересный факт
Основная проблема построения научной «теории всего» состоит в том, что квантовая механика и общая теория относительности (ОТО) имеют разные области применения. Квантовая механика в основном используется для описания микромира, а общая теория относительности применима к макромиру.



Существует четыре фундаментальных силы или взаимодействия — гравитация, электромагнетизм, сильное и слабое ядерные взаимодействия. В совокупности они составляют основу известных природных явлений.
Напомним, что Стандартная модель элементарных частиц описывает электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие. Фотоны, например, опосредуют электромагнетизм, а крупные частицы, такие как W и Z-бозоны, опосредуют слабое ядерное взаимодействие, которое управляет ядерным распадом на субатомном уровне.
Но чем больше физики погружаются в изучение микромира, тем больше у них возникает вопросов. И особенно о нейтрино – самых распространенных в природе частицах, увидеть которые нельзя. Большинство нейтрино поступают от Солнца, но некоторые образуются в верхних слоях атмосферы. Словом, современная физика пока не может описать Вселенную целиком.

Стерильные нейтрино

Итак, сегодня мы знаем о существовании трех типов или разновидностей нейтрино: электронные, мюонные и тау-нейтрино. Многие исследователи полагают, что существует четвертый аромат – стерильные нейтрино.
Свое название эти частицы получили исходя из предположения о том, что они взаимодействуют с другими частицами исключительно за счет гравитации. А вот оставшиеся три разновидности могут объяснить природу темной материи.



Нейтрино входит в число самых распространенных частиц во Вселенной, но поймать их сложно. Так как у этих частиц практически нет массы и электрического заряда. Отследить их можно только по слабому ядерному взаимодействию.
Темная материя – таинственная невидимая и неуловимая субстанция, на долю которой приходится 85% всей материи во Вселенной. В то же самое время одними из возможных частиц, составляющих темную материю, могут быть стерильные нейтрино.
Особое отношение физиков к нейтрино обусловлено их странными свойствами – электронное нейтрино может превратиться в тау- или мюонное нейтрино, и наоборот. Это объясняет интересный квантомеханический эффект под названием нейтринные осцилляции – когда один вид нейтрино превращается в другой, или же становится антинейтрино.



Ряд аномалий, выявленных еще в 1990-х годах во время экспериментов по изучению нейтрино, подтвердила работа 2002 года, а также исследования последних лет. К тому же новый эксперимент, проведенный глубоко под землей, также зафиксировал наличие аномалий, Так что либо стерильные нейтрино действительно существуют, либо все наши знания физики ошибочны.

Осевой бозон Хиггса

Существование бозона Хиггса было предсказано в 1964 году физиком-теоретиком Питером Хиггсом, но обнаружить частицу удалось лишь на Большой адронном коллайдере (БАК) десять лет назад. Считается, что именно бозон Хиггса придает массу всем остальным частицам Стандартной модели и фактически ее подтверждает.
Но недавно физики из Бостонского университета сообщили об обнаружении родственной бозону Хиггса частицы – так называемой осевой бозон Хиггса. К такому выводу исследователи пришли без помощи БАК, что удивительно. Более того, наличие у «частицы Бога» родственника свидетельствует о недостатках современной физической теории, включая неточность Стандартной модели элементарных частиц.
Кстати, обнаружить «кузена» бозона Хиггса удалось в ходе настольного оптического эксперимента, который проводился на обычном столе, – сообщает Live Science.


Большой адронный коллайдер позволил обнаружить частицы, существование которых предсказывали десятилетия назад

Стандартная модель включает два типа частиц: бозоны, к которым относятся глюоны и гравитоны; и фермионы, которые составляют материю и включают в себя нейтрино, электроны и кварки. Однако поиски частиц, способных полностью объяснить природу Вселенной, частенько заводят физиков в тупик. Так что исследователи ожидают новый запуск БАК после почти трехлетнего перерыва и надеются обнаружить больше частиц, что скрываются на просторах Вселенной.

Стандартная модель навсегда

По словам авторов научной работы, опубликованной в журнале Nature, осевой бозон Хиггса создает магнитное поле. А еще эта частица может являться частью темной материи, из которой состоит большая часть Вселенной.
Чтобы обнаружить таинственную частицу, ученые использовали редкоземельный трителлурид — квантовое вещество с двухмерной кристаллической структурой. В нем электроны самоорганизуются в волну, в которой плотность заряда периодически увеличивается или уменьшается.



Бозон Хиггса – частица, которая переносит взаимодействие между другими частицами и имеет инертную массу

По словам исследователи, осевой бозон Хиггса возник, когда в квантовом веществе при комнатной температуре имитировали определенный набор волн. Для дальнейшего наблюдение за новой частицей физики использовали рассеивание света.
Изначально мы просто исследовали светорассеивающие свойства этого вещества. Но потом обнаружили аномальные изменения, которые намекали на существование чего-то нового, — объясняют авторы научной работы.
Самое главное в этой истории заключается в том, что появление осевого бозона Хиггса все еще согласуется со Стандартной моделью элементарных частиц. Теоретически, новый бозон Хиггса может объяснить существование темной материи. Правда, для этого нужна новая теория, которая согласовывалась бы с существующими экспериментами и еще не обнаруженными частицами. Так что говорить о новой физике пока рано.