Первая фаза работы Большого адронного коллайдера завершена, и в физике элементарных частиц в минувшем году наступила некоторая передышка. На смену лихорадочному анализу данных, которым сопровождался весь 2012 год, пришел период тщательного осмысления текущей ситуации и планов на будущее. Из-за простоя LHC на первый план в 2013 году вышли другие эксперименты, изучающие элементарные частицы, — ускорительные, наблюдательные, а также связанные с астрофизическими исследованиями.
Что интересного было на коллайдере?
Основное внимание в физике элементарных частиц сейчас, да и в ближайшее годы, будет приковано к новым данным с Большого адронного коллайдера. 2012 год ознаменовался двумя важными результатами: открытием хиггсовского бозона и первыми указаниями на долгожданный сверхредкий распад Bs-мезона, очень важный для проверки многих теорий Новой физики. Распад бозона Хиггса на два фотона показывал тогда заметное отличие от Стандартной модели (СМ), которое теоретики принялись по-разному интерпретировать. Распад Bs-мезона хоть и согласовался с СМ, но всё равно оставлял простор для разнообразных теорий. Конечно, были и другие открытия и новые результаты, но никаких явлений, достоверно выходящих за рамки Стандартной модели, обнаружено не было.
В 2013 году коллайдер был остановлен на плановую модернизацию. Новые данные по столкновениям протонов не набирались, поэтому физики могли не торопясь проанализировать всю накопленную к тому времени статистику. За 2013 год экспериментальные группы завершили и опубликовали несколько сотен таких исследований для самых разных процессов; некоторые из них были описаны в нашей ленте новостей LHC. По итогам года ситуацию с ключевыми задачам коллайдера можно охарактеризовать так:
Справедливости ради надо сказать, что не все результаты, полученные на Большом адронном коллайдере, находятся в идеальном согласии со Стандартной моделью; примеры по конкретным темам можно найти на странице научных результатов коллайдера. Однако ни одно отклонение не является пока статистически значимым.
Все описанные выше результаты, конечно, сильно сбили тот научный ажиотаж, которым сопровождался запуск коллайдера. Однако они не означают, что этот коллайдер уже ни на что уже не сгодится. Как раз напротив — с новым сеансом работы, который состоится в 2015-2017 годах, связаны новые, и даже, пожалуй, более обоснованные, ожидания. Во-первых, повысится энергия столкновений, а значит, станут возможными те реакции, которые не шли до сих пор. Во-вторых, в несколько раз возрастет светимость коллайдера. Сейчас физики уже не «ныряют в неизвестность», они четко представляют себе, какие измерения и с какой примерно точностью они в любом случае смогут выполнить — и в этих измерениях тоже может скрываться сюрприз. И даже если этот второй этап работы никаких открытий не принесет, спустя еще несколько лет запланирована следующая фаза работы на еще более высокой светимости. Полезно помнить, что нынешняя статистика — это сущие проценты от того объема информации, который будет у физиков через 10 лет, так что торопиться с выводами пока очень рано.
За пределами Большого адронного коллайдера
Физика элементарных частиц изучается не только на Большом адронном коллайдере; в мире сейчас работает несколько десятков других ускорительных экспериментов. В отличие от многоцелевого LHC, они предназначены для своих, иногда довольно специальных, задач, и, хоть они не могут похвастаться огромными энергиями, с этими своими задачами они справляются. Это, например, коллайдеры, рассчитанные на более низкие энергии, либо совсем специальные эксперименты, которые тщательно изучают свойства элементарных частиц, стараясь добиться рекордной точности или зарегистрировать очень редкие явления.
Интересный результат касательно свойств адронов был получен в минувшем году коллаборацией BESIII на китайском ускорителе BEPC и коллаборацией Belle в японском ускорительном центре KEK. Оба эксперимента изучили процесс рождения набора частиц π+π–J/ψ в электрон-позитронных столкновениях и благодаря этому открыли новое четырехкварковое состояние Zc(3900) (см. рис.).
Строго говоря, пока еще не доказано, что Zc(3900) — именно цельная частица; это может быть просто аномально сильно взаимодействующая пара D-мезонов. Поэтому экспериментаторы в своих сообщениях говорят осторожно: обнаружена новая структура с экзотическими свойствами. Но если это именно полноценная частица, то она должна состоять из двух кварков и двух антикварков, связанных сильным взаимодействием в единое целое. Такие многокварковые частицы — исключительно редкое явление в семействе адронов. Обычно все мезоны состоят из кварка и антикварка, и до недавнего времени вообще не было известно, допускает ли природа более сложные образования. Первый пример четырехкваркового состояния был открыт лишь 10 лет назад, и с тех пор семейство экзотических адронов пополнялось очень неохотно. Новая частица интересна тем, что она совершенно надежно свидетельствует о наличии как минимум четырех кварков. Судя по ее массе и распаду, она должна содержать c-анти-c-пару, как и другие состояния чармония. Но такая пара была бы электрически нейтральна, в то время как Zc(3900) заряжена; значит, в ней присутствуют другие кварки.
Поиск тонких свойств и сверхредких процессов ознаменовался в 2013 году двумя очень заметными результатами. Во-первых, заработал эксперимент нового поколения ACME по поиску электрического дипольного момента (ЭДМ) электрона. В рамках Стандартной модели эта характеристика электрона должна быть исключительно мала, намного меньше погрешностей современных экспериментов, поэтому все попытки ее измерить до сих пор давали нулевой результат. Однако в некоторых вариантах Новой физики ЭДМ электрона может быть очень усилен, и если это так, то поиски должны вскоре увенчаться успехом. Поэтому задача экспериментаторов — постараться повысить точность, чтобы уловить слабый эффект от ненулевого ЭДМ. Эксперимент ACME резко уменьшил погрешность измерения впервые с начала 2000-х годов, но результат оказался по-прежнему нулевым. Однако это только первая ласточка; в ближайшие годы следует ожидать дальнейшего улучшения точности, как в ACME, так и в других экспериментах.
Во-вторых, коллаборация MEG сообщила о новых результатах поиска исключительно редкого распада мюона на электрон и фотон (рис. 4). В рамках Стандартной модели вероятность этого распада невообразимо мала, меньше 10–50, поэтому любая надежно зарегистрированная величина будет свидетельствовать о Новой физике. В своей статье коллаборация MEG в пять раз улучшила свой же результат двухлетней давности. Искомый распад по-прежнему не видно, но теперь ограничение сверху на его вероятность составляет 5,710–13. Также в этом году был представлен проект модернизации этого эксперимента, который позволит улучшить это ограничение еще на порядок.
Результаты на пересечении физики частиц и астрофизики
Свойства элементарных частиц можно изучать, не только воссоздавая их в лаборатории, но и наблюдая потоки частиц, приходящих к нам из космоса. Конечно, условия здесь не такие «стерильные», как в лаборатории, но зато Вселенная способна разгонять частицы до таких энергий, которые нам пока недоступны.
Выдающимся результатом 2013 года стала первая регистрация нейтрино сверхвысоких энергий в нейтринном телескопе IceCube (рис. 5). Это огромная, с кубический километр, сеть светочувствительных датчиков, погруженных в толщу антарктического льда и наблюдающих за свечением от широкого ливня, порожденного частицей высокой энергии. Количество света, собранного датчиками, сообщает о выделившейся энергии, а точный момент срабатывания каждого из них позволяет восстановить картину распространения ливня частиц, а значит, и определить направление, с которого пришло нейтрино.
До сих пор IceCube регистрировал только нейтрино умеренно большой энергии, которые могли бы быть вызваны и нейтрино, появившимися в земной атмосфере при столкновении высокоэнергетических частиц космических лучей. Однако в двух статьях, опубликованных в этом году (M. G. Aartsen et al. First Observation of PeV-Energy Neutrinos with IceCube и IceCube Collaboration. Evidence for High-Energy Extraterrestrial Neutrinos at the IceCube Detector), коллаборация IceCube сообщает, что ей удалось набрать достаточное количество событий с экстремально высокими энергиями нейтрино. В двух случаях энергии нейтрино превышали даже 1 ПэВ (петаэлектронвольт), что в 250 раз больше энергии протонов в Большом адронном коллайдере!
Такое количество нейтрино высокой энергии на атмосферный источник уже не спишешь. Таким образом, детектор IceCube впервые поймал настоящие космические нейтрино сверхвысоких энергий, приходящие откуда-то из глубокого космоса и несущие информацию о произошедших там процессах с огромной концентрацией энергии. Благодаря тому, что нейтрино пролетают насквозь все преграды и не отклоняются магнитным полем галактики, они позволяют по-новому взглянуть на такие процессы, открывают нам «нейтринное зрение».
На рис. показано распределение по небу всех 28 высокоэнергетических нейтрино с энергией выше 30 ТэВ, зарегистрированных детектором IceCube. Любопытно, что сразу пять событий образуют некий компактный кластер, и это может навести на мысль, что все они, возможно, испущены каким-то одним исключительно мощным космическим источником нейтрино. К сожалению, статистическая проверка показывает, что пока что этот вывод необоснован — такая кластеризация вполне могла сложиться и случайно. Но ситуация может стать более интересной, когда статистика возрастет еще в несколько раз.
В минувшем году были получены новые экспериментальные результаты по прямому поиску частиц темной материи. Самым значимым известием стали первые результаты эксперимента LUX, обнародованные в октябре. Это большой подземный детектор на жидком ксеноне, первая ласточка нового поколения детекторов с массой рабочего вещества около тонны, которые в ближайшие годы присоединятся к этой гонке. Детектор LUX не увидел надежных свидетельств в пользу столкновений, вызванных частицами темной материи, и тем самым установил более жесткие ограничения на сечение столкновения этих частиц с рабочим веществом.
Но интересно тут даже не столько само это ограничение, сколько то, что эти данные идут вразрез с сообщениями о наблюдении (а точнее, об указании на существование) частиц темной материи в эксперименте CDMS. Самые последние результаты новой фазы работы CDMS были опубликованы в декабре. Коллаборация по-прежнему настаивает, что видит некоторый сигнал, который можно интерпретировать как проявление частиц темной материи с массой около 9 ГэВ. Как согласовать друг с другом эти конфликтующие результаты, пока неясно.
Если наземные детекторы стараются зарегистрировать частицы с высокой проникающей способностью (нейтрино, темная материя), то спутниковые наблюдательные эксперименты изучают космические лучи заряженных частиц — прежде всего, протонов, легких ядер, электронов, а также их античастиц. Особый интерес для физиков представляют загадки, связанные с позитронами с энергиям порядка 100 ГэВ и выше, которые наделали много шума несколько лет назад. В этом году были опубликованы первые данные с нового большого спутникового детектора AMS-02. Вкратце, AMS-02 тщательно промерял ту область энергий, где прошлые эксперименты наблюдали некие странности, и эти странности подтвердились. Однако у AMS-02 есть возможность подняться еще сильнее по шкале энергий и тем самым, возможно, сделать новые открытия. К этому анализу коллаборация только приступает. А теоретики тем временем продолжают ломать копья вокруг загадки космических позитронов.
Источники:
1) BESIII Collaboration. Observation of a Charged Charmoniumlike Structure in e+e– → π+π–J/ψ at vs=4.26 GeV // Phys. Rev. Lett. 110, 252001 (2013); статья также доступна как е-принт arXiv:1303.5949.
2) Belle Collaboration. Study of e+e– → π+π–J/ψ and Observation of a Charged Charmonium-like State at Belle // Phys. Rev. Lett. 110, 252002 (2013); статья также доступна как е-принт arXiv:1304.0121.
3) The ACME Collaboration. Order of Magnitude Smaller Limit on the Electric Dipole Moment of the Electron // Science (2013), предварительная публикация онлайн 19 декабря 2013 г.; статья также доступна как е-принт arXiv:1310.7534.
4) J. Adam et al. (MEG Collaboration). New Constraint on the Existence of the μ+ → eγ Decay // Phys. Rev. Lett. 110, 201801 (2013); статья доступна как е-принт arXiv:1303.0754.
5) M. G. Aartsen et al. (IceCube Collaboration). First Observation of PeV-Energy Neutrinos with IceCube // Phys. Rev. Lett. 111, 021103 (2013); статья доступна как е-принт arXiv:1304.5356.
6) IceCube Collaboration. Evidence for High-Energy Extraterrestrial Neutrinos at the IceCube Detector // Science 342, 1242856 (2013); статья доступна как е-принт arXiv:1311.5238.
7) D. S. Akerib et al. First results from the LUX dark matter experiment at the Sanford Underground Research Facility // е-принт arXiv:1310.8214.
8) R. Agnese et al. (CDMS Collaboration). Silicon Detector Dark Matter Results from the Final Exposure of CDMS II // Phys. Rev. Lett. 111, 251301 (2013); статья также доступна как е-принт arXiv:1304.4279.
9) M. Aguilar et al. (AMS Collaboration). First Result from the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station: Precision Measurement of the Positron Fraction in Primary Cosmic Rays of 0.5–350 GeV // Phys. Rev. Lett. 110, 141102 (2013).