Los signos de una "nueva física" aparecieron en dos experimentos importantes. El Colisionador de Hadrones de Tevatron registró partículas donde no deberían estar, y el experimento espacial PAMELA encontró rastros de la desintegración de partículas de materia oscura. Ambos hechos encajan bien en la teoría de que existe la "fuerza oscura"
Mientras que el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) se prepara para las reparaciones tras un importante accidente de septiembre, el Tevatron estadounidense, que ha sobrevivido los últimos meses como el acelerador más potente del planeta, ha presentado a los físicos una sorpresa inesperada. A fines de la semana pasada, los colaboradores de la CDF que trabajaban en el detector de partículas gigante Tevatron del mismo nombre publicaron una preimpresión que describe algo que va más allá del modelo estándar casi sagrado de partículas elementales para los físicos.
Si esta señal resulta no ser un efecto de fondo desconocido, este descubrimiento será la primera evidencia terrestre de las limitaciones del modelo estándar.
Terrestre en el sentido de que los astrofísicos conocen desde hace mucho tiempo la materia oscura y la energía oscura, que tampoco encajan en el Modelo Estándar. Es cierto que no se sabe prácticamente nada sobre las propiedades de las partículas que componen la materia oscura.
Tevatron y muones extra
Con el detector CDF, los físicos están estudiando partículas producidas por la colisión de protones, partículas con carga positiva que forman todos los núcleos atómicos, y antiprotones, sus antípodas con carga negativa. En el acelerador de Tevatron, como su nombre indica, estas partículas se aceleran a energías de casi 1 TeV, o 1000 GeV, mil billones de electronvoltios, y la energía de colisión es, en consecuencia, casi 2000 GeV, lo que hace posible producir una variedad de, incluso muy masivos. partículas elementales.
Sin embargo, ni siquiera es posible fijar simplemente la existencia de la mayoría de las partículas de interés. Como regla general, son inestables y se convierten en varias partículas más ligeras en una pequeña fracción de segundo. Son las propiedades de los productos de desintegración las que mide el detector, y los físicos, de acuerdo con la conocida metáfora, "intentan restaurar la estructura del mecanismo de relojería, examinando los fragmentos de engranajes de reloj que chocan a la velocidad de la luz".
Uno de los "engranajes" más populares de este tipo es el muón. En términos de sus propiedades, los muones son muy similares a los electrones ordinarios que orbitan los núcleos atómicos. Sin embargo, los muones son mucho más masivos y, por lo tanto, tienen un valor particular para los físicos experimentales. En primer lugar, es más difícil "engañarlos" cuando se encuentran con los protones y electrones del detector, y en segundo lugar, en las colisiones en sí, nacen menos de ellos, y es más fácil distinguir sus rastros en el detector que las trayectorias entrelazadas de numerosos electrones.
Una de las partículas que se ha estudiado activamente utilizando muones es el llamado mesón B, que incluye un quark b pesado (o antiquark).
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Y aquí los muones llevaron durante mucho tiempo a los experimentadores por la nariz.
La teoría de la estructura y la interacción de los quarks, la cromodinámica cuántica, le permite calcular la probabilidad de producción de mesones B y su participación en diversas interacciones. Por tanto, es posible estimar el número de muones que nacerán durante la desintegración de estas partículas. Sin embargo, en el experimento se produjeron muchos más muones de los planeados. Además, otro método para medir las propiedades de los mesones B mostró resultados que concuerdan cada vez mejor con la teoría. Por tanto, los experimentadores tenían cada vez menos razones para acusar a los teóricos de no saber contar (y los cálculos en cromodinámica cuántica son extremadamente difíciles).
La razón de estas discrepancias siguió siendo un misterio durante mucho tiempo, hasta que los científicos descubrieron que algunos de los muones, que los físicos durante mucho tiempo tomaron como productos de desintegración de los mesones B, de hecho no tenían nada que ver con ellos. El caso es que el mesón B vive muy poco tiempo y, al nacer en la colisión de protones y antiprotones, logra salir volando del eje del tubo de vacío, donde se producen las colisiones, solo en 1-2 mm. Aquí se descompone en muones. Cuando los científicos descubrieron dónde estaban los muones que detectaba su detector, se resolvió el problema de los mesones B: resultó que algunos de ellos surgieron mucho más lejos del eje, y la contribución de estos "muones adicionales" al resultado final explicó exactamente la discrepancia con la teoría.
Pero, ¿de dónde vienen esos muones "extra"?
Algunos de ellos se originan a 3 mm del eje, a los cinco ya los siete; algunos están completamente fuera del tubo de vacío, que realmente no cabe en ninguna puerta.
La "sensación" física naciente está relacionada con estas partículas. Esta palabra, rara para la ciencia venerable, en realidad caracteriza la emoción de los teóricos y experimentadores de la mejor manera posible. Las discusiones sobre la realidad de las señales encontradas por la colaboración de la CDF ya están causando estragos en los blogs profesionales de físicos, y en el sitio web de preprints electrónicos de la Universidad de Cornell por tercer día consecutivo, aparecen cada vez más explicaciones teóricas de lo que vieron.
¿Nuevas partículas?
En principio, puede haber una gran variedad de razones para la aparición de partículas innecesarias o, como dicen los físicos, "de fondo", y la mayor parte del artículo de la colaboración CDF está dedicado al análisis de las posibles razones de la aparición de una señal que no apela a la "nueva física" más allá del estándar. modelos. ¿Quizás no tomamos en cuenta algunas otras partículas de las que nacen los muones, por ejemplo, los rayos cósmicos, o quizás tomamos por muones otros productos de desintegración de partículas producidas en el Tevatron? Finalmente, tal vez las señales en el detector, que tomamos por rastros de muones, no lo son: ¿ruido, fluctuaciones estadísticas, artefactos de métodos furiosos de procesamiento matemático de resultados experimentales?
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Según los autores del último trabajo, no lograron encontrar una explicación "estándar".
Cabe señalar que casi un tercio de la colaboración - unas 200 de 600 personas - se negó a poner sus firmas en el artículo, que había sido sometido a una "auditoría interna" durante casi seis meses. Por…
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Todo parece como si lograran encontrar signos de la existencia de alguna nueva partícula que vive mucho más tiempo que el mesón B, y no tiene cabida en la física que conocemos. Sin embargo, los científicos todavía se abstienen de hacer una declaración tan directa: la experiencia de toda una generación de físicos, una y otra vez convencidos de la aplicabilidad del modelo estándar a fenómenos aparentemente completamente inexplicables, se hace sentir. Pero es imposible simplemente ignorar casi 100 mil eventos registrados por uno de los mejores instrumentos del acelerador aún más poderoso de la Tierra.
Las propiedades de los muones "extra" son asombrosas en sí mismas. Uno de los más sorprendentes es que a menudo nacían en "paquetes", no una partícula a la vez, sino dos, tres, incluso ocho a la vez. Además, como regla general, desde el punto en que nacieron, no volaron en todas las direcciones, sino aproximadamente en la misma dirección; los científicos incluso usan el término "chorro de muones". Y la energía característica de una nueva partícula desconocida, si realmente existe, es de varios GeV. En otras palabras, la "nueva física", si realmente comenzamos a distinguirla en la niebla de muones, comienza en energías no en los miles de GeV, que son dirigidas por monstruos como el LHC, sino mucho antes.
Y estas propiedades se aproximan sorprendentemente a los resultados del acelerador terrestre con los datos publicados unos días antes del detector espacial de antipartículas PAMELA.
Fracción de positrones en función de la energía // Grupo PAMELA, arXiv.org
Resultados del experimento PAMELA El
vehículo de investigación internacional PAMELA a bordo del satélite artificial ruso Resurs-DK1 ha registrado de forma fiable un exceso de positrones de alta energía en una corriente de espacio cargado …
Según muchos astrofísicos, el exceso de positrones de alta energía (antipartículas a electrones) en los rayos cósmicos surge de la descomposición o aniquilación de misteriosas partículas de materia oscura. Este es otro elemento de la física más allá del modelo estándar, cuya existencia (e incluso el dominio de la masa) los astrónomos conocen desde hace mucho tiempo, pero no pueden decir nada que valga la pena: por eso es materia oscura, que no es visible y su presencia se transmite solo a través de la gravedad.
Dark Power
Al final resultó que, el cuarteto de teóricos de Princeton, Harvard y Nueva York ya tiene una explicación de los resultados de PAMELA, que fue útil con los nuevos datos del Tevatron. Según Nima Arkanihamed y sus colegas, en el marco de su modelo supersimétrico, se obtiene una explicación unificada y natural para el exceso de positrones medidos de manera confiable por el aparato PAMELA, un exceso apenas perceptible de rayos gamma provenientes aparentemente de ninguna parte, y el brillo brumoso del centro de la galaxia en gamma y rayos de radio registrados por otros satélites astrofísicos.
De acuerdo con el modelo, las partículas de materia oscura tienen una masa de alrededor de 1000 GeV y no participan en las interacciones que conocemos. Sin embargo, actúan entre sí con la ayuda de una fuerza "oscura" de corto alcance, que es transportada por otra partícula oscura con una masa de aproximadamente 1 GeV. Es decir, a los tres tipos habituales de interacción, actuando solo sobre la materia ordinaria (electromagnética y nuclear, débil y fuerte), se suma uno más, que actúa solo en el mundo de la materia oscura. La gravedad, como de costumbre, se distingue y une ambos mundos.
Los teóricos necesitaban la fuerza "oscura" para unir las partículas de materia oscura en una especie de "átomos", en los que una de las partículas oscuras tiene una "carga oscura" negativa y la otra tiene una "carga oscura" positiva. Sólo la formación de "átomos" permite que la materia oscura se aniquile con la suficiente intensidad como para explicar los resultados de las observaciones astrofísicas (este es el llamado mecanismo de Sommerfeld).
Sin embargo, la partícula que porta la fuerza "oscura" ya puede decaer directamente con la emisión de partículas ordinarias, y es esta partícula, según Arkanihamed y sus colegas, la que puede ser responsable de la aparición de muones "extra".
Además, la desintegración de las partículas oscuras cargadas con una carga oscura procede naturalmente en cascada hasta que golpea la partícula oscura estable más clara, que no tiene nada en qué desintegrarse. Cada paso de esta cascada involucra una partícula, un portador de fuerza oscura y, por lo tanto, puede aparecer un muón adicional en cada paso. Demasiado para los muones en "paquetes". Bueno, el hecho de que todos vuelan en la misma dirección se debe simplemente al hecho de que la partícula en descomposición se mueve rápidamente, por lo que las cargas de los fuegos artificiales festivos, que explotan antes de alcanzar el punto más alto de su trayectoria, arrojan fuentes enteras de luces brillantes hacia adelante. Tanto para el "jet".
Sin embargo, la publicación de datos por parte de las colaboraciones CDF y PAMELA indudablemente conducirá a la aparición de decenas, si no cientos, de posibles explicaciones en los próximos meses. Por lo tanto, puede que no valga la pena insistir en el modelo de Arkanihamed. Hasta ahora, se distingue solo por el hecho de que resultó estar en el tribunal al interpretar tanto esos como otros datos.
Por supuesto, es posible que ambos resultados experimentales reciban explicaciones más triviales. Los "muones adicionales" pueden resultar ser nada más que un efecto instrumental no contabilizado de la instalación gigante de CDF, y se pueden generar "positrones adicionales" en las proximidades de las estrellas de neutrones en nuestra galaxia.
Pero las perspectivas son intrigantes. En el mundo de la materia oscura, que hasta hace poco parecía una turbidez informe detrás de la cual los astrónomos ocultan su incomprensión de la estructura del mundo, comenzó a emerger una estructura: algunas interacciones, "cargas oscuras", "átomos oscuros". Tal vez la física no haya terminado y las nuevas generaciones de científicos tengan algo que estudiar en el "mundo oscuro".
