Исследование невидимого: поиск новых частиц и сил в «zeptouniverse»
Человечество достигло выдающихся успехов в изучении невидимого мира. Большой адронный коллайдер (БАК) — наш ведущий инструмент для изучения субатомного мира — способен анализировать объекты на уровне аттометров, что эквивалентно одной квинтильонной метра. Особенно знаменательным стало открытие бозона Хиггса в 2012 году, которое наряду с другими физическими феноменами открыло двери для дальнейшего изучения таких загадок, как темная материя и асимметрия между материей и антиматерией.
Тем не менее, последующий период открытия новых частиц не выдал ожидаемого взрыва научных открытий. Хотя с момента обнаружения бозона Хиггса сделано множество значимых шагов, ни одно из них не сопоставимо по размеру открытия с его обнаружением. В недавней статье в журнале New Scientist физик-элементарщик Гарри Клифф, работающий над экспериментом LHCb, представил одну из теорий, объясняющих, почему мы не обнаружили ожидаемых частиц.
Основная идея заключается в том, что некоторые из этих открытий могут скрываться в так называемой «zeptouniverse», мире, который существует только на масштабе 10^-21 метра. БАК способен анализировать частицы лишь до 50 зептометров, но Клифф выделяет теорию, поддерживаемую теоретическим физиком Анджеем Бурасом из Технического университета Мюнхена, согласно которой эти ускользающие частицы могут находиться за пределами возможностей обнаружения БАК.
С увеличением мощностей и уровне детекции, новый детектор еще больше откроет двери в этот невидимый мир. В CERN завершили исследование целесообразности создания будущего кругового коллайдера (FCC), который, по прогнозам, начнет свою работу в 2070 году. Однако Бурас утверждает, что исследовать этот фронтир новой физики можно и косвенно, не дожидаясь построения нового коллайдера, проводя эксперименты с квантами и процессами нарушения лептонной симметрии. В 2020 году Бурас提出ил этот вопрос в статье для Physik Journal, задаваясь вопросом о возможности достижения «zeptouniverse» в ближайшие десятилетия.
Недавно в статье, размещенной на сервере arXiv, Бурас выделил семь потенциальных объектов для изучения, назвав их «великолепной семеркой». Все семь это крайне редкие распады частиц, содержащих странные и нижние кварки, которые Клифф называет «эхо из зептонов». Некоторые эксперименты уже активно ищут эти сверхредкие распады.
Одним из таких распадов является распад мезона B — составной частицы, состоящей из различных кварков. В 2023 году эксперимент Belle II в Японии зафиксировал этот распад, в результате которого образовалась частица, известная как каон (или K-мезон), и два нейтрино. Однако, поскольку эксперимент не был нацелен на прямое обнаружение нейтрино, информация о них остается ограниченной.
Кроме того, в сентябре 2024 года эксперимент NA62 в CERN зафиксировал распад положительно заряженного каона на пионы и пару материи-антиматерии. Считается, что такой распад происходит лишь в одном из каждых десяти миллиардов каонов. Поскольку эта реакция чувствительна к отклонениям от Стандартной модели, она была определена как одна из главных целей для поиска новой физики. На сегодняшний день эксперимент KOTO в Японии активно ищет второе подтверждение данного распада.
«Поиск новых частиц и сил, выходящих за пределы Стандартной модели, остается важным в свете необходимости объяснения темной материи, большого разнообразия масс частиц от невидимых нейтрино до массивных топ-кварков и асимметрии между материей и антиматерией, благодаря которой мы вообще существуем», — отмечает Бурас в своем интервью для CERN Courier. «Поскольку прямые поиски на БАК пока не предоставили никаких подсказок о том, что могут представлять собой эти новые частицы и силы, косвенные поиски становятся все более важными».
Современные ученые лишь начинают заглядывать в неизведанные просторы «zeptouniverse», и до тех пор, пока коллайдеры нового поколения не начнут свою работу, эти крайне редкие распады являются единственными окнами в этот невидимый мир. Это открывает новые горизонты и возможности для дальнейшего понимания фундаментальных законов Вселенной.
