Fizika elementarnih čestica u 2013. godini • Igor Ivanov • Znanstvena vijest o "Elementima" • Fizika

Elementarna fizika čestica u 2013

Sl. 1. Kolaž slika odabranih od strane urednika časopisa fizika iz odabira nezaboravnih publikacija iz 2013. u časopisima američke fizičke zajednice. Slika tvrtke physics.aps.org

Završena je prva faza Large Hadron Collidera, a prošle je godine došlo do odmaka u fizici čestica. Grozna analiza podataka koji su pratili cijeli 2012 zamijenjena je razdobljem temeljitog razmišljanja o trenutnoj situaciji i planovima za budućnost. Zbog zastoja LHC-a, drugi pokusi koji proučavaju osnovne čestice došli su do izražaja u 2013. godini – akcelerator, opservacijska i astrofizička istraživanja.

Što je bilo zanimljivo na sudaru?

Glavna pozornost u fizici elementarnih čestica sada iu bliskoj budućnosti bit će usredotočena na nove podatke velikog Hadron Collidera. Godinu 2012. obilježila su dva važna rezultata: otkriće Higgsova bozona i prve indikacije dugo očekivanog ultra rijetkog propadanja Ba-meson, vrlo važan za testiranje mnogih teorija nove fizike. Propadanje Higgsove bozone u dva fotona tada je pokazivalo vidljivu razliku od Standardnog modela (SM), koju su teoretičari počeli tumačiti na različite načine. Propadanje Ba-meson iako je dogovoren s CM-om, ali je ipak ostavio mjesta za različite teorije. Naravno, bilo je i drugih otkrića i novih rezultata, ali nije pronađen niti jedan fenomen znatno iznad opsega Standardnog modela.

2013. godine sudar je zaustavljen za planiranu nadogradnju. Nisu prikupljeni novi podaci o sudarima protona, tako da bi fizičari mogli analizirati sve statistike prikupljene do tog vremena bez žurbe. U 2013. godini eksperimentalne skupine dovršile su i objavile nekoliko stotina takvih studija za različite procese; neki od njih su opisani u našoj LHC vijesti. Krajem godine situacija s ključnim ciljevima sudara može se karakterizirati kako slijedi:

  • Slika s Higgsovim bozonom postaje sve pesimističnija: ažurirana mjerenja su u suglasju s Standardnim modelom. U ožujku je suradnja CMS-a, koja je potpuno rekonstruirala podatke i dvostruko provjerila njihovo tumačenje, mijenja svoje zaključke o propadanju bozona u dva fotona. Ako je 2012, zajedno s suradnjom sestre ATLAS, izvijestila o značajnom povećanju ovog propadanja u usporedbi s standardnim predviđanjima, sada vidi slabljenje propadanja.Na taj način, zagonetka propadanja dva fotona, koja je tijekom 2012 godine izazvala maštu fizičara, odjednom je nestala. Ako na kraju sudara ovdje pronađe neko odstupanje, to će biti vrlo mala. I na kraju godine, prezentirani su podaci o propadanju Higgsovog bozona u čestice materije (Slika 2); ovdje, također, sve se pokazalo iznimno standardnim.

    Sl. 2. Rekonstrukcija događaja kandidata za rođenje i propadanje Higgsovog bozona u dva tau leptona koji je registrirao ATLAS detektor. Analiza takvih propadanja Higgsovog bozona u čestice tvari potvrđuje standardnost otvorenog bara. Slika tvrtke twiki.cern.ch

  • Propadanje Ba-meson na muon-anti-muon par konačno je potvrđen i preselio se u kategoriju punih otkrića. Također se slaže s standardnim modelom. Međutim, pogreška mjerenja je i dalje 25% pa ostaje mogućnost otkrivanja značajnih odstupanja.
  • Potraga za supersimetrom u desecima različitih načina neizbježno je dala negativan rezultat. To, naravno, nije zatvorila supersimetriju kao ideju, ali je barem raspršila nadu mnogih fizičara za cijeli vatromet novih učinaka s relativnomale energije. Sada teoretičari su prisiljeni preispitati svoj stav ovoj teoriji i što očekivati ​​u budućnosti od njega.
  • Nastavljajući temu supersimetrija, rezultatima 2013. godine, ali je u teorijskoj fizici čestica pripisuje i postupno dolazi do shvatiti da su to negativni podaci nisu toliko štetni za supersimetrija kao teoretičari izgledalo prije godinu ili dvije. Ispostavilo se da je čak i jednostavne vrste supersimetrične modela može se pomiriti s trenutnim podacima lako. Što se tiče prirodnog sa stajališta teorije je to „protežu” ovi modeli – još jedno pitanje, koje teoretičari su plaćati sve više i više pozornosti.

To je pošteno reći da nisu svi rezultati dobiveni na Large Hadron Collider je savršeno slaže sa standardnom modelu; primjeri pojedinih tema mogu se naći na stranici znanstvenih rezultata sudarača. Međutim, odstupanje još nije statistički značajno.

Sve navedeno je, naravno, jako pokucao znanstveni uzbuđenja koja je stigla pokretanje Collider. Međutim, oni ne znače da taj sudara više ne odgovara ništa.Upravo suprotno – s novom sjednicom rada, koja će se održati 2015.-2017. Godine, povezana su nova, i još razumnija očekivanja. Prvo će se povećati energija sudara, što znači da će postati mogući reakcije koje nisu prošle daleko. Drugo, svjetlost sudara će se povećati nekoliko puta. Sada fizičari više ne "uronju u nepoznato", jasno shvaćaju koja mjerenja i s kojom točnosti mogu izvesti u svakom slučaju – iu takvim mjerenjima također može biti iznenađenje. Čak i ako ova druga faza rada ne donosi nikakva otkrića, nakon još nekoliko godina planira se sljedeća faza rada na još višoj svjetlosti. Korisno je zapamtiti da su trenutačne statistike samo postotci količine podataka fizičara koji će imati za 10 godina, pa je prerano rukovati se zaključcima.

Izvan Large Hadron Collider

Fizika elementarnih čestica se proučava ne samo na Large Hadron Collider; U svijetu sada ima nekoliko desetaka drugih eksperimenata ubrzavanja. Za razliku od višenamjenskog LHC-a, oni su dizajnirani za svoje, ponekad posve posebne zadatke i, iako se ne mogu pohvaliti ogromnim energijama, oni se nose s tim zadacima.To su, na primjer, sudari dizajnirani za manje energije ili vrlo posebne pokuse koji pažljivo proučavaju svojstva elementarnih čestica, pokušavaju postići točnost zapisa ili registrirati vrlo rijetke pojave.

Zanimljiv rezultat u vezi s svojstvima hadrona dobio je prošle godine suradnja BESIII na kineskom BEPC akceleratoru i Belle suradnji u japanskom akceleratorskom centru KEK. Oba su pokusa proučavala proces rođenja skup čestica π+πJ / ψ u sudarima elektronsko-pozitrona i zbog toga su otkrili novu četveroklikarsku državu Zc(3900) (vidi sliku 3).

Sl. 3. Raspodjela događaja invarijantnom masom para π+J / ψ (na lijevoj strani: BESIII podaci s desne strane: Belle podaci). Čisti vrh s masom od 3.9 GeV ukazuje na prisutnost nove strukture s egzotičnim svojstvima Zc(3900). Slike iz raspravljanih članaka

Strogo govoreći, još nije dokazano da Zc(3900) – to je cijela čestica; to može biti samo abnormalno snažan interakcijski par D-mesona. Stoga, eksperimentiraju oprezno u svojim porukama: otkrivena je nova struktura s egzotičnim svojstvima. Ali ako je to puna čestica, onda bi trebala biti dva kvarkova i dva antiquarkova, povezana snažnom interakcijom u jednu cjelinu.Takve višekatne čestice izuzetno su rijetke pojave u obitelji hadrona. Obično se svi mezoni sastoje od kvarkova i antiquark, a do nedavno uopće nije bilo poznato da li priroda dopušta kompleksnije formacije. Prvi primjer četveročlanog stanja otkriven je tek prije 10 godina, a od tada je obitelj egzotičnih hadrona nadomještena vrlo nevoljko. Nova čestica je zanimljiva po tome što potpuno pouzdano ukazuje na prisutnost najmanje četiri kvarkova. Sudeći prema svojoj masi i propadanju, ona bi trebala sadržavati c-anti-c-par, poput ostalih stanja charmonija. Ali takav bi par bio električki neutralan, a Zc(3900); to znači da u njoj postoje i drugi kvarkovi.

Potraga za finim svojstvima i izuzetno rijetkim procesima obilježena je 2013. godine s dva vrlo primjetna rezultata. Prvo, zaradio je novu generaciju eksperimenta ACME pretraživanja trenutak električnog dipola (EDM) elektrona. U okviru standardnog modela, ova karakteristika elektrona bi trebala biti iznimno mala, mnogo manja od pogrešaka suvremenih eksperimenata, tako da su svi pokušaji da se to mjerilo do sada daju nula rezultata.Međutim, u nekim oblicima nove fizike, EDM elektron može se uvelike poboljšati, a ako je tako, pretraživanje bi uskoro trebalo biti okrunjeno uspjehom. Stoga je zadatak eksperimenata pokušati poboljšati točnost kako bi uhvatili slab učinak ne-nula EDM. ACME eksperiment oštro je smanjio pogrešku mjerenja po prvi puta od početka 2000-ih, ali rezultat je još uvijek bio nula. Međutim, ovo je samo prva gutljaj; U narednim godinama trebali bismo očekivati ​​daljnje poboljšanje točnosti, kako u ACME-u tako iu ostalim eksperimentima.

Sl. 4. Shematski prikaz događaja sličan propadanju muona u elektron i foton u MEG detektoru. Slika od meg.web.psi.ch

Drugo, suradnja MEG-a izvijestila je o novim rezultatima pretraživanja izuzetno rijetkim propadanje muona u elektron i foton (Slika 4). U okviru standardnog modela, vjerojatnost ovog propadanja je nezamislivo mala, manje od 10-50stoga, svaka pouzdano zabilježena količina označava novu fiziku. U svom članku, MEG suradnja poboljšala je svoj rezultat prije pet godina pet puta. Željeno raspadanje još uvijek nije vidljivo, ali sada gornja granica njegove vjerojatnosti iznosi 5,7 ± 10-13, Također ove godine predstavljen je projekt za modernizaciju ovog eksperimenta koji će ovo ograničenje poboljšati redoslijedom veličine.

Rezultati na sjecištu fizike čestica i astrofizike

Sl. 5. Pokriti časopis znanost za 22. studenog 2013. sa slikom odgovora, koji je napustio neutrino energijom od 250 TeV, koji je registrirao IceCube detektor. Slika od sciencemag.org

Svojstva elementarnih čestica mogu se proučavati ne samo rekonstruiranjem u laboratoriju već i promatranjem tokova čestica koje dolaze s nama iz svemira. Naravno, uvjeti ovdje nisu "sterilni" kao u laboratoriju, ali Svemir je sposoban ubrzati čestice takvim energijama koje još nisu dostupne.

Izuzetan rezultat 2013. godine bio je prvi registracija ultrazvučnog neutrina u teleskopu neutrino IceCube (slika 5). Ovo je ogroman, s kubičnim kilometrom, mrežom senzora osjetljivih na svjetlost, uronjen u debljinu antarktičkog leda i promatrajući svjetlost iz širokog tuširanja generiranog visokom energetskom česticom. Količina svjetlosti koju su sakupljali senzori obavještava o oslobođenoj energiji, a točno vrijeme svakog od njih potiče vraćanje uzorka širenja čestica i stoga određuje smjer iz kojeg je došao neutrino.

Do sada je IceCube zabilježio samo neutrino s umjereno visokom energijom, što bi također moglo biti uzrokovano neutrinima koji se pojavljuju u Zemljinoj atmosferi kada se sudaraju velike energije čestica kozmičkih zraka. Međutim, u dva članka objavljena ove godine (MG Aartsen i suradnici, First Neutrinos s IceCube i IceCube Collaboration, dokazi za visokoenergetske izvanzemaljske neutrinacije u IceCube detektoru), suradnja IceCube izvještava da je uspjela dobiti dovoljno broj događaja s izrazito visokim neutrino energijama. U dva slučaja, energija neutrina premašila je čak 1 PeV (petaelectronvolt), što je 250 puta više od protonske energije u Large Hadron Collideru!

Takva količina visokog energetskog neutrina do atmosferskog izvora više se ne može zanemariti. Na taj način, IceCube detektor po prvi puta je uhvatio stvarne ultrasonografske kozmičke neutrone koji dolaze negdje u dubokom prostoru i nose informacije o procesima koji su se tamo dogodili s velikom koncentracijom energije. Zbog činjenice da neutrini lete kroz sve prepreke i da ih magnetna polja galaksije ne odmaknu, dopuštaju nam svježi pogled na takve procese koji nam otvaraju "neutrino viziju".

U sl. Slika 6 prikazuje raspodjelu neba svih 28 visokog energetskog neutrina s energijom iznad 30 TeV, koju registrira IceCube detektor.Zanimljivo je da pet događaja odjednom čine kompaktan skup, a to može ukazivati ​​na to da su svi možda emitirani nekom vrstom po jedan izuzetno snažan kozmički izvor neutrina. Nažalost, statističko testiranje pokazuje da je do sada ovaj zaključak neutemeljen – takav skupljanje može biti slučajno. Ali situacija može postati zanimljivija kada se statistika povećava čak i nekoliko puta.

Sl. 6. Nebeska distribucija od 28 događaja s neutrinom s energijama iznad 30 TeV snimljenih pomoću IceCube detektora. Po boji prikazane su upute za dolazak neutrina u granicama pogrešaka; blijeda boja pokazuje da je taj neutrino događaj slabo odvojen od atmosfere neutrino pozadine, svijetle boje znači da je neutrino događaj zasigurno kozmički podrijetlom. Događaji su prikazani na karti neba u galaksičkim koordinatama. Slika od sciencemag.org

Prošle su godine dobiveni novi eksperimentalni rezultati izravno traženje čestica tamne tvari, Najznačajnija vijest bile su prve rezultate LUX eksperimenta, objavljene u listopadu.To je veliki podzemni xenon detektor, prvi gutljaj nove generacije detektora s radnom masom od oko tona, koja će u narednim godinama pridružiti ovoj utrci. LUX detektor nije vidio pouzdane dokaze u korist sudara uzrokovanih česticama tamne materije, te je stoga postavila stroža ograničenja na poprečnom presjeku za sudar tih čestica s radnom tvari.

Ali ovdje nije zanimljivo ni ograničenje, već činjenica da ti podaci protive izvješćima zapažanje (ili bolje, ukazujući na postojanje) čestica tamne materije u CDMS eksperimentu. Najnoviji rezultati nove faze rada CDMS-a objavljeni su u prosincu. Suradnja i dalje inzistira da vidi neki signal koji se može tumačiti kao manifestacija čestica tamne materije s masom od oko 9 GeV. Kako uskladiti ove sukobljene rezultate jedni s drugima je nejasno.

Ako detektori na tlu nastoje registrirati čestice s visokom penetracijskom snagom (neutrini, tamna tvar), onda satelitski opservacijski eksperimenti proučavaju kozmičke zrake nabijenih čestica – prije svega, protona, svjetlosnih jezgri, elektrona i njihovih antičestica.Od osobitog interesa za fizičare su zagonetke vezane uz pozitrone s energijama reda od 100 GeV i više, što je izazvalo puno buke prije nekoliko godina. Ove godine, prvi podaci iz novog velikog satelitski detektor AMS-02, Ukratko, AMS-02 pažljivo je izmjerio energetsku regiju u kojoj su prošli pokusi zabilježili neke neobičnosti, a ove neobičnosti potvrđene su. Međutim, AMS-02 ima priliku da se još više podigne na energetsku mjerilu i time, možda, da učini nova otkrića. Suradnja tek počinje ovu analizu. U međuvremenu, teoretičari i dalje razbijaju koplje oko misterija kozmičkih pozicija.

Društveno značajni događaji

Fizika elementarnih čestica ove godine još uvijek je široko čula javnost. Glavna informativna prilika, naravno, bila je nagradu Nobelove nagrade za fiziku Françoisu Engleru i Peteru Higgsu. Ova nagrada obilježila je njihov rad prije pola stoljeća, koji je postavio teorijske temelje važnog fenomena, koji sada nose ime Higgsovog mehanizma. Nakon otkrića Higgsova bozona, eho čestice ovog mehanizma, objavljena je prije godinu dana u CERN-u, pitanje dodjele nagrade bitno je riješeno.

Značajan interes, uz prilično širok raspon odgovora, također je prouzročio sljedeću nagradu nove temeljne nagrade za fiziku, koju je stvorio i sponzorirao ruski poduzetnik Yuri Milner. Ove godine najavljene su laureate ove nagrade za 2014. godinu: Michael Green i John Schwartz dobit će nagradu za njihov izvanredan doprinos stvaranju i razvoju teorije superstarova.

Pa, ako se vratite s javnosti na fizičare koji proučavaju svijet elementarnih čestica, onda im je događaj Snowmass 2013 postao važniji – dugi proces sažetka i stvaranja nove vizije ciljeva i zadataka fizike čestica u bliskoj budućnosti. Unatoč činjenici da je naglasak stavljen na ulogu Sjedinjenih Država, glavni rezultat tog procesa – dugi popis vrlo detaljnih pregleda različitih aspekata fizike čestica – bit će koristan za gotovo sve istraživače.

izvori:
1) BESIII suradnja. Promatranje napunjene Charmonium strukture+e → π+πJ / ψ na vs = 4.26 GeV // Phys. Rev. Leti. 110, 252001 (2013); Članak je također dostupan kao e-print arXiv: 1303.5949.
2) Belle suradnja. Studija e+e → π+πJ / ψ i promatranje stanja nalik na Charmonium kao Belle // Phys. Rev. Leti. 110, 252002 (2013); Članak je također dostupan kao e-print arXiv: 1304.0121.
3) ACME suradnja. Dipolni momental od reda elektrolita magnitude znanost (2013), prethodna publikacija on-line 19. prosinca 2013 .; Članak je također dostupan kao e-print arXiv: 1310.7534.
4) J. Adam i sur. (MEG Collaboration). Novi ograničenje postojanja μ+ → eγ Propadanje // Phys. Rev. Leti. 110, 201801 (2013); Članak je dostupan kao e-print arXiv: 1303.0754.
5) M.G. Aartsen i sur. (IceCube suradnja). Prvo promatranje peV-energetskih neutrina s IceCube // Phys. Rev. Leti. 111, 021103 (2013); Članak je dostupan kao e-print arXiv: 1304.5356.
6) IceCube suradnja. Dokazi za visokoenergetske izvanzemaljske neutrinacije u IceCube detektoru // znanost 342, 1242856 (2013); Članak je dostupan kao e-print arXiv: 1311.5238.
7) D. S. Akerib i sur. Prvi rezultati iz Sanford Underground Research Facility-a // e-print arXiv: 1310.8214.
8) R. Agnese i sur. (CDMS suradnja). Silikonski detektor CDMS II Phys. Rev. Leti. 111, 251301 (2013); Članak je također dostupan kao e-print arXiv: 1304.4279.
9) M. Aguilar i sur. (AMS suradnja). Prvi rezultat magnetskog spektrometra na Međunarodnoj svemirskoj postaji: kozmičke zrake od 0,5-350 GeV // Phys. Rev. Leti. 110, 141102 (2013).

Vidi također:
1) Izdvajamo godine – izbor najznamenitijih rezultata objavljenih u 2013. u časopisima američke fizičke zajednice.
2) Large Hadron Collider – projekt na "Elementima".
3) Objavite LHC rezultate u proteklih 12 mjeseci.
4) Higgs boson: otkriće i planovi za budućnost, "Elementi", 16.07.2012.
5) Propadanje Higgsovog bozona u čestice materije još je više indikativno za njegov standard, "Elementi", 12/09/2013.
6) Rezultati CMS i LHCb za propadanje Ba → μ+μ United, "The Elements", 29.07.2013.
7) Supersimetrija u svjetlu LHC podataka: što dalje ?, "Elementi", 07/01/2013.
8) Prvi rezultati eksperimenta ACME: trenutak elektroničkog dipolnog napona još uvijek je nula, "Elementi", 12/30/2013.
9) F. Halzen. Promatranje visokog energetskog neutrina s IceCube // Vijesti iz SPIE-a, 26. studenog 2013.
10) LUX eksperiment još nije otkrivao čestice tamne materije, "Elementi", 31.10.2013.
11) R.F. Lang. Upside Down Matter fizika 6, 136 (2013).
12) Prvi rezultati eksperimenta AMS-02 zanimljivi su, ali nisu donijeli senzacije, "Elementi", 04.04.2013.
13) Nobelova nagrada u fizici – 2013, "Elementi", 10.10.2013.
14) Najveći sastanak Snowmass-2013 sažima, "Elementi", 11/06/2013.
15) Osnovna nagrada za nagradu za fiziku.

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: :???: :?: :!: