Европейската организация за ядрени изследвания отново с пробив, който може да разплете загадката с антиматерията

Говорителят на проекта проф. Паркс благодари на "Космос" за интереса: Наша колежка е българка!

Едва ли има по-красив и вълнуващ експеримент от този в Large Hadrone Collider beauty в Европейската организация за ядрени изследвания - ЦЕРН. Благодарение на него сме на път да станем свидетели на едно фантастично и спиращо дъха пътуване 14 млрд. години назад във времето. От 2014 г. досега учените там все по-успешно пресъздават условията около Големия взрив с баланса между материя и антиматерия, след който започва необятното разширяване на Вселената и внезапното й охлаждане. Сега екипът на LHCb направи още една крачка към разплитането на най-голямата мистерия - къде изчезна антиматерията, която остави материята да формира галактиките, звездите,

красивата ни Синя планета,

зараждането на живота.

Но това съвсем не е всичко. Последният експеримент заедно с резултатите от останалите през последните 7 години е на път да открие отдавна търсената пета сила в природата освен силното, слабото ядрено взаимодействие, гравитацията и електромагнетизма. Ако новите опити потвърдят тези резултати, тогава всеотдайният екип на Европейската организация за ядрени изследвания има шанс да постави началото на Новата физика, за която поколения учени мечтаят. Тя не само ще обясни много от загадките във Вселената, с които Стандартният модел не успява да се справи, а и ще промени технологиите до неузнаваемост.

"Космос" веднага поздрави водещите учени в Красивия експеримент с успеха. Сред тях бе и проф. Крис Паркс, който е и говорител на проекта.

"Много благодаря за интереса ви към нашата работа - отговори той пред списанието. - Много се радвам да чуя, че желаете да отразите нашата работа. Моята колежка д-р Ева Герзабек от университета в Манчестър е българка. Тя с удоволствие ще отговори на въпросите ви." (По-долу публикуваме интервюто с нея.)

Откакто е създадена през 1954 г., Европейската организация за ядрени изследвания проучва с различни инструменти разнообразните аспекти на Вселената. В сегашния сензационен експеримент LHCb се опитва

да стигне до генезиса.

За проектирането и изграждането на внушителното 20-метрово съоръжение са необходими 20 години и талантът и уменията на хиляди учени и инженери.

Още в началото те си поставят амбициозната цел да се върнат назад във времето, когато не е имало звезди, планети, материя.

В момента на Big Bang е освободена толкова мощна енергия, че частиците материя и антиматерия при всяка нова среща взаимно се унищожават и заедно с това се създават нови, а Вселената продължава да се разширява и охлажда. В даден момент неизвестен засега процес, наречен бариогенезис, нарушава равновесието между материя и антиматерия и води до преобладаването на частиците кварки и лептони над антикварките и антилептоните.

Паралелно с охлаждането за противоположните частици става все по-трудно да се срещат и процесът постепенно спира.

Какво се е случило? Защо сега частиците антиматерия към тези на материята са близо едно към милиард, питат се учените в ЦЕРН? Къде са изчезнали? Именно от тази вечна загадка се заражда и животът на Земята. Разплитането на пъзела обаче трябва да започне от неуловимата антиматерия.

Самата антиматерия е обикновена материя, но с обратен заряд.

За широката публика това е объркващо и за да го обяснят, от Европейската лаборатория за ядрени изследвания често правят видеа с балерина, която танцува срещу огледало. Истинската, реалната от материя срещу своя огледален образ от антиматерия. Тоест, ако балерината (частичката материя) направи движение вдясно, същото повтаря, но в обратна посока, и огледалният образ. Ако се срещнат дори за част от секундата, те изчезват. До 1964 г. се смяташе, че двата образа са абсолютно симетрични - като заряд и паритет, това е така наречената СР-симетрия. Идеята е на гениалния Пол Дирак, който още през 1928 г. лансира хипотезата, че всяка частица има свой близнак – античастица, и те във всяко свое движение са в

идеална симетрия.

36 години по-късно обаче физиците Джеймс Кронин и Вал Фич откриват нова частичка - каон, която сериозно се отклонява от модела на Дирак. Заради тази първа аномалия, която всява съмнение в Стандартния модел, през 1980 г. двамата получават Нобелова награда. Именно тази находка мотивира учените в ЦЕРН да проверят дали има и други частички, които нарушават симетрията. Защото ако успеят, това ще разкрие на какво се дължи дисбалансът между материя и антиматерия.

Така възниква идеята за 27-километровия тунел Large Hadron Collider (LHC), вкопан на 100 м под земята, близо до летището в Женева.

Целта е с него да се изследват субатомни частици като кварка и неговия двойник - антикварка, за да установят има ли и други отклонения от Стандартния модел. За да стане това, обаче учените трябва да пресъздадат условия, подобни на тези при Големия взрив.

Протоните се пускат в два срещуположни лъча със скорост, каквато не е постигана в нито една лаборатория на Земята. В момента на сблъсъка за части от секундата температурата е многократно по-висока от тази в ядрото на Слънцето. Дали ни се вярва или не, няма значение - тези сблъсъци са 40 млн. в секунда, а енергията, която се постига, е 7 тераелектронволта. При всеки сблъсък на протони се създават частици материя и антиматерия.

Как учените наблюдават всичко това? Чрез 4,5-хилядитонния детектор LHCb, с който се

измерва енергията

на всяка частичка, установява се какъв вид е и цялата тази необятна информация постъпва в Световния суперкомпютър - GRID - сбор от 10 хиляди двуметрови компютъра. Оттам резултатите от експериментите се разпределят между физици по цял свят.

Благодарение на отдадеността им и на усъвършенстването на LHC, от 2014 г. ЦЕРН засече няколко пъти частички, които сериозно се отклоняват от симетрията и объркват разбиранията ни за Стандартния модел. Сегашният експеримент обаче представи резултати, които във физиката се приемат за доказателство, което, разбира се, ще се проверява отново и отново.

Благодарение на целия този многогодишен колосален труд се стига до голямото откритие от края на март.

"В момента Стандартният модел на физиката на частиците предоставя най-доброто описание на основни частици и техните взаимодействия - започва статията на над 900-те учени, участвали в експеримента. - Тази разработка представя доказателства за разрушаването на т.нар. лептонна универсалност при разпада на "красивия" кварк при 3.1 сигма, базирани на данни за протон-протонен сблъсък, отчетени в детектора LHCb в Големия адронен колайдер на CERN."

(При статистическа значимост от 3,1 стандартни отклонения физиците казват, че резултатът има характер на доказателство. Ако достигне 5 стандартни отклонения, вече се приема за твърдо установено откритие.)

"Измерванията са извършени при процеси, при които "красивият" мезон се трансформира в "странен" мезон с емитирането или на електрон и позитрон, или на мюон и антимюон“ - продължават статията си учените от ЦЕРН.

Стандартният модел предрича двата разпада, включващи съответно двата „аромата“ лептони – електрон или мюон, да протичат с еднаква вероятност. Но в експеримента на ЦЕРН се оказва, че разпадът до електрон става значително по-често.

„Ако това нарушение на

лептонната универсалност

се потвърди при бъдещи измервания, това би означавало физика извън Стандартния модел и ново фундаментално взаимодействие между кварки и лептони" – заключават от CERN.

Сега учените от Европейската организация за ядрени изследвания се надяват да повторят експеримента и да получат още по-убедителни доказателства.

"За да се потвърди скорошното откритие, в идеалния случай резултатите трябва да бъдат възпроизведени с помощта на различна експериментална настройка, за предпочитане повече от веднъж - заяви пред "Космос" българският квантов физик, който от години работи в Япония, Иво Куцаров. - Ето защо физиците от ЦЕРН се надяват резултатите им да бъдат възпроизведени при експериментите на Belle в Япония. Двата експеримента с B-фабрика (Belle в KEKB, BaBar в PEPII) наблюдават първите големи сигнали за нарушение на CP (симетрията между заряд и паритет, или огледален образ, нарушението на която е в основата на дисбаланса материя/антиматерия – б.р.) в сектора на B мезоните през 2001 г. Тези резултати показаха, че хипотезата на Кобаяши и Маскава за произхода на нарушението на СР е вярна." Неслучайно през 2008 г. те получават Нобелова награда за физика.

"Belle II - първият суперексперимент на B-Factory, е проектиран да прави прецизни измервания на слабите параметри на взаимодействие и да открие Новата физика, извън Стандартния модел на физиката на частиците и за Вселената. Стандартният модел обяснява три от четирите основни сили, които управляват Вселената: електромагнетизъм, силно и слабо взаимодействие, но не и гравитационните сили. Освен това Стандартният модел не предлага основни частици, които са добри кандидати за тъмна материя."

Именно затова физиците са убедени, че рано или късно ще открият нова сила в природата, която ще е като Граалът във физиката.

ИНТЕРВЮ

Евелина Герзабек, Royal Society Dorothy Hodgkin Fellow, работи в Университета на Манчестър. Тя е в една и съща група с проф. Крис Паркс, който е и говорител на експеримента в LHCb в ЦЕРН.

Евелина Герзабек от LHCb в ЦЕРН:

Предпазливо развълнувани търсим Новата физика

- Изразиха се мнения, че експериментът може би показва една нова пета сила във физиката, възможно ли е тя да бъде обединяващата?

- В момента наблюдаваме различни експериментални измервания, в това число и от експеримента LHCb, по който работя. Те не са в съгласие с теоретичните предсказания на Стандартния модел на елементарните частици. За момента разликите между измерването и теорията са все още малки, за да се направят някакви твърди заключения. Златният стандарт за откритие е разлика от 5 стандартни отклонения (примерно при измерване Х с някаква експериментална или теоретична неопределеност, когато се сравнят резултатите, разликата трябва да е по-голяма 5 пъти от тази неопределеност). Обяснението е статистическо: при такава разлика това измерване в отсъствието на Нова физика може да се случи с вероятност 1 на 1 милион. Приемаме, че това е достатъчно малка вероятност и тогава можем да твърдим, че имаме Нова физика.

Различни теоретици работят по модели отвъд Стандартния, за да обяснят тези отклонения. В тези модели те въвеждат нови частици, например лептокварки, Z бозони и т.н. За момента нито една от тях не е потвърдена. Има и теории, които се опитват да обединят съществуващите 4 фундаментални сили. Дали би могло да има нова сила? За момента не знаем. Също така засега не знаем дали ако има нова пета сила, тя би обединила съществуващите 4 сили (силно и слабо ядрено взаимодействие, електромагнитно взаимодействие и гравитация - бел. ред.). А дали има връзка между обединяването на фундаменталните сили и различията, които наблюдаваме сега, още не знаем със сигурност.

- Възможно ли е тази нова сила да обясни всичко във физиката, което до момента не разбираме?

- Би било хубаво. Има много неща, които не разбираме. Сред примерите са йерархията на масите на частиците, какво представлява тъмната материя, защо има повече материя от антиматерия, колко е масата на неутрино частиците и т.н. Дали има един-единствен отговор на тези въпроси, могат да отговорят теоретиците.

- Какъв е най-важният въпрос за вас сега?

- Всички ние се стремим да открием Нова физика: нова частица, Нова физика отвъд Стандартния модел и т.н.

Някои от измерванията, които правим, са продиктувани от теорията: те са чувствителни към така наречените ефекти отвъд Стандартния модел. В нашият експеримент LHCb е само един от подходите за търсене на Нова физика.

Затова проучваме подобни ефекти в най-различни процеси и измервания: например сравняваме предсказанията за редки разпадания: колко често се случват? Отговарят ли на очакванията на Стандартния модел? Зависи ли това по някакъв начин от определени кинематични променливи?

- Каква е разликата при разпадите на частица в сравнение с нейната античастица? Зависи ли това от времето на разпадане?

- Сравняваме разпаданията например при B (или D) мезоните в крайно състояние с различни лептони - например B-мезонът се разпада на адрон, електрон-позитрон. Или на адрон, мюон и антимюон. Въпросът е с еднаква честота ли се случват тези разпади? Теорията ни казва, че не би трябвало да има разлика от това дали имаме електрони или мюони (нещо, което се нарича лептонна универсалност), но в последните измервания откриваме разлика от 3 стандартни отклонения. Това все още не е достатъчно, за да твърдим, че сме открили нова физика, но е много интересно. В туитър се въртеше #cautiouslyexcited (предпазливо развълнувани - бел. ред.) около тази публикация.

От експериментална гледна точка нашата работа е да направим измерванията по възможно най-добрия и прецизен начин, да оценим точно неопределеностите, ако има начин да ги намалим. Да се погрижим да не допускаме грешки или систематични ефекти. От чисто експериментална гледна точка също така е добре, когато има потвърждение от други експерименти. Или когато се наблюдават отклонения от теорията в други процеси, които теорията може да свърже.