Недавно венгерские ученые в результате одного из экспериментов обнаружили аномальное явление. При распаде ядер бериллия они получили частицу, масса и поведение которой не могут быть объяснены стандартной физической моделью.
Аномальная частица
В начале 2016 года последующее совместное исследование с группой американских ученых было опубликовано в престижном журнале Physical Review Letters. Изучив поведение частицы, ученые составили математическую модель, служащую дополнением к стандартной модели. По предположениям ученых, эта модель в перспективе могла бы объяснить существование и свойства темной материи. Они даже надеются на первый намек на существование пятого фундаментального взаимодействия частиц.
Стандартная модель
Существует четыре фундаментальных «силы природы», которые точнее называются силами фундаментального взаимодействия: электромагнетизм, гравитация, сильное ядерное взаимодействие и слабое ядерное взаимодействие. Согласно стандартной модели, все силы, кроме гравитационной, взаимодействуют между собой. Это побуждает ученых стремиться найти новую, пятую фундаментальную силу взаимодействия, которая могла бы позволить прямо наблюдать за темной материей.
Опубликованного эксперимента оказалось недостаточно, чтобы доказать существование нового взаимодействия. Аномальное явление на сегодняшний день может быть вызвано новой частицей материи или безмассовым возбудителем неизвестного взаимодействия.
Проведенный эксперимент
Эксперимент был проведен в Венгерской Научной Академии учеными, которые давно занимаются поисками «темных фотонов» - частиц, взаимодействующих с темной материей. Аномалия в ядерном распаде бериллия, наблюдаемая в ходе эксперимента, оказалась частицей с массой в 30 раз больше электрона.
Если эта частица обладает способностью провоцировать новое взаимодействие, то открытие может оказаться революционным. Не только обнаружится предсказанная «пятая сила», но эта сила потенциально сможет объединить известные взаимодействия и темную материю. Подобное объединение значительно расширит наше понимание Вселенной и физических процессов, происходящих в ней.
Конечно, одного эксперимента и теоретической модели недостаточно, чтобы поверить в существование нового фундаментального взаимодействия. Нужно провести еще немало исследований и экспериментов, а также сформулировать новую теорию, соединяющую в себе стандартную модель и новую силу. К счастью, аномальная частица сравнительно стабильна и может прямо наблюдаться большинством заинтересованных ученых.
МОСКВА, 26 мая - РИА Новости. Ученые из Венгрии нашли намеки на существование физики за пределами Стандартной модели устройства микромира. Они открыли свидетельства наличия не четырех, а пяти фундаментальных сил природы, сообщает новостная служба журнала Nature.
В конце прошлого года Атилла Краснахоркаи (Attila Krasznahorkay) из Института ядерной физики Венгерской академии наук в Дебрецене и его коллеги опубликовали статью, в которой они рассказали о необычных результатах наблюдений за тем, что происходит при переходе атома бериллия-8 из возбужденного в нормальное состояние при синтезе бериллия во время бомбардировки листа лития протонами.
Как рассказывают ученые, при определенных обстоятельствах этот процесс приводит к рождению не фотонов, а пар электрон-позитрон, своеобразных нестабильных мини-атомов из частиц материи и антиматерии. Сам по себе этот факт не является необычным - такие процессы происходят в природе и в космосе регулярно. Удивительным было то, как происходило рождение этих частиц.
Поставить электроны в угол
Стандартная модель физики предсказывает, что частота появления подобных пар будет сильно зависеть от того, под какими углами будут разлетаться формирующиеся электроны и позитроны - чем больше этот угол, тем меньше должно возникать "атомов" позитрония, как называют такие конструкции ученые.
К большой неожиданности Краснахоркаи и его коллег, происходило нечто иное - когда угол разлета приближался к отметке в 140 градусов, число электрон-позитронных пар резко вырастало. Это указало на то, что в данном процессе замешаны некие частицы или силы, выходящие за пределы Стандартной модели.
Как полагают венгерские физики, подобное поведение бериллия-8 связано с тем, что его ядра во время их формирования в листе лития испускают особый сверхлегкий бозон, частицу-переносчик одного из четырех фундаментальных взаимодействий, который распадается на электрон и позитрон.
Краснахоркаи полагает, что данная частица, чья масса составляет примерно 17 МэВ (мегаэлектронвольт), является так называемым "темным фотоном" - переносчиком электромагнитных взаимодействий, способных влиять на поведение частиц темной материи.
Протонофобия
Подобные заявления и результаты экспериментов привлекли внимание теоретиков из университета Калифорнии в Ирвине (США), которые считают, что команде Краснахоркаи удалось открыть нечто большее - пятую фундаментальную силу , которая воздействует на материю наравне с гравитацией, электромагнетизмом, слабыми и сильными ядерными силами.
"В исходной экспериментальной работе, на которой основаны эти теоретические построения, говорится о том, что наблюдения за переходами между возбужденными состояниями атома бериллия-8 дают результаты, расходящиеся с нынешним теоретическим описанием. Всяческие отклонения в ядерной физике возникают регулярно, поскольку адекватно сосчитать спектр возбуждений ядер, путь даже легких, крайне тяжело", — прокомментировал исследование Игорь Иванов, известный российский физик и популяризатор науки.
Как пишет Иванов, схожие необъяснимые всплески и аномалии находили и раньше в ходе наблюдений за поведением нейтрино и в ходе экспериментов на БАК, которые впоследствии "рассасывались" по мере накопления данных и повышения точности детекторов.
"Поэтому и в этом случае это практически гарантированно плохо описываемый эффект ядерной физики. Ну а теоретическая статья, по которой написана заметка в Nature News, это просто стандартная для теоретиков работа — предположим, что отклонение реально, и поспекулируем на тему, какая это могла бы быть "новая физика". Они имеют на это право", — заключает ученый.
Мир физики гудит, обсуждая возможное открытие пятой фундаментальной силы, действующей наравне с гравитацией, электромагнетизмом, а также сильным и слабым ядерным взаимодействием.
Затравкой стал необычный пик, который увидела команда венгерских физиков. Вообще-то они искали одного из кандидатов в частицы тёмной материи - так называемый . Для этого брался кусок лития-7, который облучали протонами относительно небольшой энергии. В результате получали изотоп бериллий-8 в возбуждённом состоянии. Такой изотоп может излучить или фотон, или пару электрон-позитрон.
Необычный пик наблюдается под углом около 140 градусов и только для протонов с энергиями 1,10 и 1,04 МэВ.
В эксперименте следили за тем, под каким углом вылетают электрон и позитрон. Ожидалось, что чем больше угол между ними, тем меньше таких пар. Но оказалось, что под углом 140 градусов чуть больше частиц, чем под соседними. Такой пик можно объяснить, если ввести существование не известного ранее бозона - его сейчас называют просто бозоном X. Авторы изначального эксперимента надеются, что это и есть тот тёмный фотон, который они искали. Эксперимент шёл более трёх лет и был опубликован в архиве в прошлом году.
А в апреле этого года в архиве появилась теоретическая статья американской группы, которая предложила не менее изящное объяснение - этот бозон это переносчик неизвестного ранее пятого фундаментального взаимодействия. В поддержку своего мнения они там ещё привели пару нестыковок в других экспериментах, которые тоже можно объяснить этой гипотезой.
Проблема, однако, в том, что пока больше никто венгров не проверил, хотя работы вроде идут. А у них там довольно странная штука: пик на 140 градусах видно только если бериллий-8 рождается протонами с энергией 1,10 и 1,04 МэВ. Если же он рождается протонами с энергией 1,2 или 0,8 МэВ, то пик волшебным образом пропадает.
Ну и странно, конечно, что такую лёгкую частицу (а бозон X имеет массу раз в 50 меньше массы протона), не замечали в экспериментах раньше.
В общем, как обычно в таких ситуациях, пока рано вестись на хайп. Будем ждать будущих экспериментов от независимых групп. Ну а теоретики, конечно, пока будут рождать гипотезы одну причудливее другой, пока полёт их фантазии не будет ограничен новыми экспериментальными данными.
Если их выводы подтвердятся, в науке произойдет сенсация мирового масштаба, возможно, более значительная, чем открытие гравитационных волн.
Сегодня известны четыре фундаментальные силы, действующие в нашем мире: гравитационная и электромагнитная силы на макроуровне, сильное и слабое взаимодействия наблюдаются на уровне элементарных частиц. Физикам пока хватает этих четырех сил, чтобы объяснить все вокруг. Беспокоит только то, что видимая материя составляет не более 5% всей материи Вселенной, остальная же скрыта от наших органов чувств. Ученые называют эту неощутимую нами часть Вселенной - темной материей и темной энергией.
Считается, что единственная сила, которая воздействует на темную материю, - это гравитация, но безусловных следов этого взаимодействия пока не найдено. Отсутствие взаимодействия с темной материей не смущает ученых, они продолжают его искать и потенциально готовы к открытиям, в том числе - к открытию нового фундаментального взаимодействия.
В прошлом году физик Аттила Кразнахоркай (Attila Krasznahorkay) с коллегами из Института ядерных исследований Венгерской академии наук (Дебрецен) опубликовали в базе препринтов ArXiv.org статью, в которой сделали вывод об открытии ими пятого взаимодействия. В январе их статья вышла в журнале Physical Review Letters.
Обе публикации не были замечены научным сообществом, за исключением группы физиков-теоретиков под руководством Джонотана Фенга (Jonathan Feng) из Университета Калифорнии (Ирвин, США), которые решили проверить результаты венгерских коллег. Фенг с соавторами внимательно изучили расчеты венгерских исследователей и объявили, что эта новая сила, как им кажется, не нарушает каких-либо законов природы. Фенг опубликовал статью о проверке, также в ArXiv.org.
Венгерские ученые искали «темный фотон» - частицу света темной материи. Они бомбардировали кусок лития-7 протонами, в результате чего протоны превращались в нестабильное ядро бериллия-8, которое распадалось на пару электронов и позитронов (аналогов электронов в антиматерии). Когда протоны ударялись о литий под углом 140 градусов, обратно вылетало значительно больше пар электронов и позитронов, чем предполагали расчеты, основанные на Стандартной модели.
Авторы эксперимента решили, что эти лишние частицы могут быть проявлением новой частицы - в 34 раза тяжелее, чем электрон. Возможно, это и есть темный фотон. Фенг с соавторами полагают, что аномалия, наблюдаемая венгерскими учеными, демонстрирует не темный фотон, а проявление пятого взаимодействия.
Сейчас сразу несколько научных групп - из Национальной лаборатории Джефферсона (Thomas Jefferson National Accelerator Facility) в США, MIT, ЦЕРН - взялись повторить эксперимент и проверить выводы Кразнахоркая и Фенга.
Подписывайтесь на Квибл в Viber и Telegram , чтобы быть в курсе самых интересных событий.
«Венгерская физическая лаборатория обнаружила пятую силу природы?» — с таким заманчивым заголовком в четверг появился материал в авторитетном научном журнале Nature . Речь идет об открытии, которое, возможно, сделали венгерские физики из Института ядерных исследований Венгерской . В настоящее время науке известно четыре фундаментальных взаимодействия, которые, как считается, могут описывать все известные процессы во Вселенной.
К ним относится гравитация, которую проявляют по отношению друг к другу все материальные тела, и три взаимодействия, описываемые так называемой Стандартной моделью: электромагнитное, слабое и сильное.
Впрочем, Стандартная модель является феноменологической, то есть не основанной ни на какой глубокой теории, которая лежит в ее основе, и потому не запрещает обнаружение с ростом научных знаний ни новых частиц, ни новых взаимодействий. Поэтому в программах большинства крупных экспериментов в области физики частиц ученые давно ведут поиски и пятого фундаментального взаимодействия — отклонений от предсказаний Стандартной модели.
В последние лет десять поиски нового взаимодействия возобновились с новой силой из-за неспособности Стандартной модели объяснить феномен темной материи — загадочной субстанции, составляющей более 80% Вселенной. На роль носителей темной материи теоретики предлагали множество экзотических частиц, например, темных фотонов по аналогии с обычными фотонами — переносчиками электромагнитного взаимодействия.
Венгерские ученые под руководством Аттилы Краснахоркаи в своих экспериментах на 5-мегавольтном ускорителе Ван де Граафа как раз и были заняты поиском темных фотонов, однако обнаружили нечто совсем другое. В ходе экспериментов они бомбардировали низкоэнергичными протонами мишень из лития-7, в результате чего образовывались ядра бериллия-8. Это ядро находится в возбужденном состоянии и быстро переходит в основное состояние, излучая энергию. Обычно излучается просто фотон, однако примерно каждый тысячный раз этот виртуальный гамма-квант внутри самого ядра бериллия превращается в пару электрон-позитрон.
Поскольку масса виртуального фотона близка к нулю, электрон и позитрон, вылетая из ядра, должны лететь почти в одном направлении, то есть угол между их траекториями в лабораторной системе отсчета должен быть близок к нулю.
В этом распределении, как говорят физики, есть «хвост» — то есть чем больше угол разлета, тем меньше вероятность встретить такую пару частиц. Однако так утверждает теория. Эксперимент же показал,
что при угле разлета в 140 градусов наблюдается локальный пик вероятности, которого быть не должно.
Авторы эксперимента интерпретировали это как проявление новых частиц, испускаемых ядром бериллия, которые затем распадаются на электрон-позитронную пару. Расчеты показали, что масса этой частицы должна равняться 17 МэВ. «Мы уверены в результатах нашего эксперимента», — говорит Краснахоркаи, добавляя, что эксперимент показывал эти результаты в течение трех лет. В апреле 2015 года венгры выложили свою работу в архив электронных препринтов , а уже в апреле 2016 года американские теоретики под руководством Джонатана Фэна из Калифорнийского университета в Ирвине , в которой заявили, что результаты венгерских физиков не противоречат прошлым экспериментам и являются открытием
— ни много ни мало - проявления пятого фундаментального взаимодействия.
Спустя несколько дней вопрос об этом поднимался на рабочей встрече в Национальной ускорительной лаборатории SLAC в США, предположение об открытии пятой силы нашло как сторонников, так и скептиков. Они сошлись в одном — гипотезу можно и нужно проверять в грядущих экспериментах.
По словам Фэна, поддержавшего идею о пятом взаимодействии, его группа проверяет другие возможные частицы, которые могли бы объяснить аномалию. «Но протофобный бозон — самое очевидное объяснение», — считает он.
Cкептически отнесся к открытию специалист в области элементарных частиц, ведущий сотрудник Института проблем передачи информации РАН доктор физико-математических наук .
«На графике видно, что отклонения наблюдаются только при двух значениях энергии падающих протонов, при других показателях энергии этого нет, — пояснил физик «Газете.Ru». — Немного поменяли энергию протонов — и «всплеск» исчез. Обычно такое бывает, когда возникают определенные экспериментальные сложности. Ведь бериллий — он и в Африке бериллий, и не важно, при какой энергии он получен».
MTA Atomki
Кроме того, время жизни предполагаемой новой частицы, которую уже прозвали «протофобным X-бозоном», оценивается в 10 -14 секунды, а это довольно много, и странным является то, что в большом числе аналогичных экспериментов она обнаружена не была.
«Я отношусь к этому скептически, но поддерживаю идею, что на это надо посмотреть в текущих крупных экспериментах, например в LHCb на Большом адронном коллайдере», — сказал Ростовцев, которому история с открытием венгерских физиков и подведения под него теоретического обоснования напомнила громкую историю двухлетней давности. Тогда физики, работавшие на итальянском эксперименте OPERA объявили об открытии нейтрино, летевших со сверхсветовой скоростью. «Тогда сразу появилось море теоретических работ, объясняющих с помощью дополнительных измерений, пятых сил, новых частиц и чего угодно—около ста теоретических статей! И что?
Потом оказалось, что ничего не было, а какой-то студент плохо кабель соединил», — вспоминает физик.
Проверить гипотезу можно будет на БАКе и в двух других экспериментах по бомбардировке позитронами фиксированной мишени — в Национальной лаборатории Фраскати близ Рима и в Институте ядерной физики имени Будкера Сибирского отделения РАН в Новосибирске.