Ученые ЦЕРН ищут загадочные призрачные частицы

По мнению целого ряда выдающихся физиков, значительную часть окружающего нас мира составляют загадочные «призрачные» (или «фантомные») частицы, обнаружение которых могло бы значительно приблизить нас к пониманию истинной природы Вселенной.

Это перевод статьи Паллаба Гоша, оригинал на английском языке можно прочитать здесь.

Сама эта идея эта не нова, однако теперь ученые, кажется, нашли способ проверить свою теорию экспериментально.

Руководство Европейского центра исследования частиц (ЦЕРН) одобрило эксперимент, который поможет доказать существование таких «призраков».

Прибор, который позволяет осуществить этот эксперимент, по чувствительности превосходит все существующие на сегодняшний день аналоги в тысячу с лишним раз.

Для обнаружения «фантомов» частицы планируется не сталкивать друг с другом (как это происходит в Большом адронном коллайдере), а разбивать о неподвижную твердую поверхность.

Что же это за призначные частицы и почему для их обнаружения потребовался специальный метод?

На сегодняшний день принято считать, что вся физика элементарных частиц укладывается в так называемую Стандартную модель.

Согласно этой теории, известная нам материальная Вселенная состоит всего лишь из 17 видов частиц — как хорошо известных (например, электрон или бозон Хиггса), так и тех, что менее на слуху и обладают удивительными наименованиями (вроде очарованных кварков, глюонов и тау-нейтрино).

Некоторые из них могут объединяться (в различных комбинациях), образуя при этом чуть более крупные, но все же крохотные по размеру частицы, из которых и состоит весь окружающий нас мир — включая звезды в самых отдаленных известных галактиках. Другие отвечают за поведение частиц и их взаимодействие друг с другом.

Проблема в том, что результаты некоторых экспериментальных наблюдений (например, за движением галактик) убедительно свидетельствуют: вся известная нам материальная Вселенная составляет лишь порядка 5% от ее [неоднократно измеренной различными способами] общей массы.

Оставшаяся Вселенная может частично (или даже целиком) состоять из «призрачных» или «скрытых» частиц, которые принято считать фантомными двойниками 17-ти частиц Стандартной модели.

Если они действительно существуют, обнаружить их невероятно сложно, поскольку они крайне редко взаимодействуют с известным нам материальным миром. Подобно призракам, они легко проходят сквозь любые материальные объекты и не могут быть зафиксированы земными приборами.

Впрочем, согласно одной из версий в рамках все той же теории, в очень редких случаях призрачные частицы могут распадаться на частицы Стандартной модели, которые уже можно уловить существующими детекторами. Новый инструмент значительно повышает вероятность обнаружения подобного рода распадов за счет многократного увеличения количества лобовых столкновений.

Вместо того чтобы сталкивать пучки разогнанных частиц друг с другом, как это происходит в большинстве современных экспериментов, их планируется разбивать о неподвижную твердую поверхность — так, чтобы на более мелкие осколки разлетались все частицы до единой, а не только некоторые из них.

Преимущества такого подхода (его принято обозначать аббревиатурой SHiP) хорошо видны на графике ниже.

Один из руководителей проекта, профессор Имперского колледжа Лондона Андрей Голутвин уверяет, что этот эксперимент «знаменует собой новую эру в поиске скрытых частиц».

«Новый эксперимент предоставляет уникальную возможность решить сразу несколько основных проблем физики элементарных частиц, а у нас есть шанс обнаружить частицы, которые раньше никому зафиксировать не удавалось», — объясняет он.

Охота за призраками требует специального оборудования.

В ходе обычных экспериментов (например, на Большом адронном коллайдере) новые частицы можно обнаружить на расстоянии до одного метра от места столкновения. Однако призрачные частицы могут оставаться незамеченными и преодолевать десятки или даже сотни метров, прежде чем начнут распадаться и хоть как-то проявят себя. Поэтому в ходе нового эксперимента детекторы будут располагаться гораздо дальше.

Профессор Имперского колледжа Митеш Патель считает новый подход «поистине гениальным».

«Что меня в этом эксперименте действительно увлекает, так это то, что скрытые частицы находятся у нас прямо под носом — но увидеть их взаимодействие (или скорее его отсутствие) мы никак не можем», — объясняет он.

«Мы исследуем абсолютно неизвестный ландшафт и верим, что сможем увидеть что-то интересное. Нужно только как следует посмотреть».

По словам работающей в ЦЕРН Клаудии Ахдиды, новый эксперимент (SHiP) будет проведен на базе уже существующих объектов ЦЕРН.

«Мы будем использовать уже прорытые тоннели, — уверяет она, — и вообще постараемся по максимуму использовать существую инфраструктуру, чтобы создать инструмент, который поможет нам отыскать этот скрытый сектор».

Предполагаемая стоимость запланированного нового кругового коллайдера (FCC) оценивается в 15 млрд евро. Начать работу он должен к середине 2040-х, но выйдет на пик своего потенциала не раньше 2070-го.

Но поиск новых частиц методом SHiP может начаться уже в 2030 году и обойдется примерно в сто раз дешевле.

Исследователи намерены перепробовать все возможные подходы для обнаружения частиц, которые, по их словам, приведут к одному из величайших и наиболее прорывных открытий в истории физики.