Физики открыли пятую силу природы

Эксперимент с мюонами в коллайдере продемонстрировал существование доныне неизвестной новой силы природы. По расчетам физиков, частицы должны были колебаться с определенной частотой - но в реальности колебания сильно отличались от стандартной модели, описывающей свойства элементарных частиц, исходя из законов физики. Результаты эксперимента доказывают существование доныне неизвестной силы и способны полностью изменить наши представления о Вселенной.                                    





Смотреть все фото в галерее


Ученые считают, что открыли пятую силу природы, о которой доныне ничего не было известно. Об этом свидетельствуют наблюдения за колебаниями элементарных частиц, которые не подчиняются ныне известным законам физики.
В ходе недавнего эксперимента физики запустили тяжелые элементарные частицы - мюоны, напоминающие электроны, но превосходящие их по массе, - по 14-метровому закольцованному магнитному коллайдеру, измеряя частоту их колебаний.  В ходе экспериента под названием "Мюон G-2" колебания мюонов существенно отличались от стандартной модели - теории, предсказывающей поведения элементарных частиц, исходя из ныне известных физических законов. По мнению авторов эксперимента, ученых из лаборатории Ферми, это означает, что на мюоны действует неизвестная пятая сила. Мюоны - природные частицы, они естественным образом формируются при столкновении космических лучей с земной атмосферой, поэтому их свойства должны соответствовать стандартноймодели. Несоответствие можно объяснить лишь присутствием сторонних сил, пока не известных ученым. По мнению британского Совета по науке и технологиям, результаты эксперимента свидетельствуют либо о присутствии в мире еще не открытых субатомных частиц, либо о наличии силы, пока еще не известной ученым. Вероятность статистической погрешности в эксперименте они оценивают как 1:40 000.    


Британский физик Брайан Кокс назвал результат экспермиента "важным и многообещающим". "Он приблизил нас к открытию новых физических  законов за пределами Стандартной модели". По его  мнению, открытие причин, по которым меняется частота колебаний мюонов, станет самым значительным открытием в физике за многие годы.
Эксперимент "Мюон G-2" призван найти новые элементарные частицы или силы на основании наблюдений за взаимодействием мюонов с магнитным полем. В нем мюон ведет себя как магнитныйкорпус или гироскоп, колебаясь с определенной частотой, предсказанной Стандартной моделью. Но онколеблется сильнее, а почему - ученым лишь предстоит разобраться.
"В наше время очень интересно заниматься физикой частиц, - говорит профессор Марк Томпсон. - Мы знаем, что наше знание Вселенной неполно, и с помощью экспериментов пытаемся заглянуть за занавес, скрывающий ее устройство".
Стандартная модель, описывающая поведение элементарных частиц, была разработана около 50 лет назад.  Она описывает поведение элементарных частиц - кварков и лептонов, каждые из которых попарно делятся на три поколения, представители которых имеют самую прочную связь между собой. Стабильную материю Вселенной образуют частицы первого поколения, а более тяжелые частицы стремятся опуститься до максимально стабильного уровня. На взаимодействие частиц определяется четырьмя силами: сильной, слабой, электромагнитной и гравитационной. Они действуют  на разных уровнях и с разной интенсивностью.    


Мицио Каку, вещущий мировой специалист в области теории струн, утверждает, что результаты эксперимента могут стать ключом ксозданию Великой теории всего, или Божественного урвавнения. "Эйнштейн говорил: если ты видишь хвост льва, скорее всего, на его конце имеется лев, - говорит ученый, - Возможно, отклонения от Стандартной модели станут хвостом, за который мы вытянем настоящую, полную теорию мира".
"Для нас это - как запуск марсохода", - говорит Крис Полли, специалист Лаборатории Ферми.
Как объясняет ученый Университета Джона Хопкинса Давид Каплан, главной идеей эксперимента "Мюон G-2" было разделить элементарные частицы и проследить не только за их состоянием, но и за состоянием пространства между ними. "Тайны кроются не в маретии, а в пространстве  между ними, в квантовом поле", - считает ученый. Предыдущие эксперименты в течение десятилетий подтверждали справедливость Стандартной модели - до последнего эксперимента. "С учетом последних измерений, осуществленных специалистами лаборатории ЦЕРН в Большом Адронном коллайдере, мы можем утверждать, что поведение мюонов отличается от предсказанного теорией", - говорит профессор Ланкастер.    


Стандартная модеь несовершенна, утверждает Каку, поскольку она не в полной степени моделирует силу гравитации, не учитывая ее бесконечный радиус действия. Электромагнитная сила также имеет бесконечный радиус действия, при этом онасильнее гравитации, а сильные и слабые взаимодействия осуществляются лишь на коротких расстояниях, дрминируя на уровне взаимодействия субатомных частиц. С учетом этих особенностей Стандартная модель, имеющая дело именно с элементарными частицами, практически не принимает во внимание силу гравитации, поскольку вставить в нее гравитацию из-за бесконечно малого ее влияния представляется проблематичным. Между тем, в ее отсутствии кроется слабость Стандартной модели. Именно поэтому ученые постоянно пытались испытывать ее на прочность, обнаруживая несоответствия во взаимодействиях частиц. Это не удавалось около 50 лет - и вот теперь отклонения от моделивсе же обнаружились.    


Новый прорывный эксперимент осуществлен в Лаборатории Ферми в Батавии, штат Иллинойс, где ученые разработали технологию создания мюонов в ускорителях частиц, способных производить их в больших количествах. Мюонпочти в 200 раз тяжелее своего родственника электрона. Мюоны, образующиеся при столкновении солнычных лучей с атмосферой,  были открыты в 1936 году.    


"С самого начала мюоны удивляли физиков", - говорит ученый Грациано Веранзони из Лаборатории Ферми. Задачей ученых было проследить за колебаниями мюонов, вращающихся вокруггигантского магнита. Как и электроны, мюоны ведут себя так, словно внутри у них имеется магнит, поэтому в магнитном поле они прецессируют, или колеблются.  Частота колебаний определяется силой внутреннего магнита во внешнем магнитном поле и описывается цифрой, которую физики называют g-фактром, и которую можно вычислить с чрезвычайно высокой точностью.    


Вращаясь вокруг большого магнита, мюоны также взаимодействуют с квантовой пеной, состоящей из возникающих и исчезающих элементарных частиц. Концепция квантовой пены выросла из идеи Эйнштейна о колебаниях и отклонениях пространственно-временного континуума. Ученые ранее полагали, что он не сплошной и представляет собой подобие пены. Стандартная модель позволяет очень точно предсказать поведение частиц, составляющих пену, но если в квантовой пене содержатся частицы, или на нее действуют силы, не предусмотренные моделью, то g-фактор будет расти.    


По мнеию многих физиков, обнаруженные расхождения со стандартной моделью могут полностью поменять наше понимание законов Вселенной.  Специалистам Лаборатории Ферми необходимы еще 1-2 года, чтобы полностью проанализировать данные о частицах, двигавшихся входе эксперимента по 14-метровому магнитному кольцу. Если в результате полного анализа результаты не изменится, это будет означать огромный прорыв в области квантовой физики.    


Фмзик Мицио Каку в своей недавно опубликованной книге уже заявил о неполноте Стандартной модели. Он такжеуверен, что наблюдения за взаимодействиями элементарных частиц могут дать человечеству ключ к истинной и полной теории, описывающей поведение Вселенной.    
Ученые считают, что открыли пятую силу природы, о которой доныне ничего не было известно. Об этом свидетельствуют наблюдения за колебаниями элементарных частиц, которые не подчиняются ныне известным законам физики.
В ходе недавнего эксперимента физики запустили тяжелые элементарные частицы - мюоны, напоминающие электроны, но превосходящие их по массе, - по 14-метровому закольцованному магнитному коллайдеру, измеряя частоту их колебаний.  В ходе экспериента под названием "Мюон G-2" колебания мюонов существенно отличались от стандартной модели - теории, предсказывающей поведения элементарных частиц, исходя из ныне известных физических законов. По мнению авторов эксперимента, ученых из лаборатории Ферми, это означает, что на мюоны действует неизвестная пятая сила. Мюоны - природные частицы, они естественным образом формируются при столкновении космических лучей с земной атмосферой, поэтому их свойства должны соответствовать стандартноймодели. Несоответствие можно объяснить лишь присутствием сторонних сил, пока не известных ученым. По мнению британского Совета по науке и технологиям, результаты эксперимента свидетельствуют либо о присутствии в мире еще не открытых субатомных частиц, либо о наличии силы, пока еще не известной ученым. Вероятность статистической погрешности в эксперименте они оценивают как 1:40 000.    
Британский физик Брайан Кокс назвал результат экспермиента "важным и многообещающим". "Он приблизил нас к открытию новых физических  законов за пределами Стандартной модели". По его  мнению, открытие причин, по которым меняется частота колебаний мюонов, станет самым значительным открытием в физике за многие годы.
Эксперимент "Мюон G-2" призван найти новые элементарные частицы или силы на основании наблюдений за взаимодействием мюонов с магнитным полем. В нем мюон ведет себя как магнитныйкорпус или гироскоп, колебаясь с определенной частотой, предсказанной Стандартной моделью. Но онколеблется сильнее, а почему - ученым лишь предстоит разобраться.
"В наше время очень интересно заниматься физикой частиц, - говорит профессор Марк Томпсон. - Мы знаем, что наше знание Вселенной неполно, и с помощью экспериментов пытаемся заглянуть за занавес, скрывающий ее устройство".
Стандартная модель, описывающая поведение элементарных частиц, была разработана около 50 лет назад.  Она описывает поведение элементарных частиц - кварков и лептонов, каждые из которых попарно делятся на три поколения, представители которых имеют самую прочную связь между собой. Стабильную материю Вселенной образуют частицы первого поколения, а более тяжелые частицы стремятся опуститься до максимально стабильного уровня. На взаимодействие частиц определяется четырьмя силами: сильной, слабой, электромагнитной и гравитационной. Они действуют  на разных уровнях и с разной интенсивностью.    
Мицио Каку, вещущий мировой специалист в области теории струн, утверждает, что результаты эксперимента могут стать ключом ксозданию Великой теории всего, или Божественного урвавнения. "Эйнштейн говорил: если ты видишь хвост льва, скорее всего, на его конце имеется лев, - говорит ученый, - Возможно, отклонения от Стандартной модели станут хвостом, за который мы вытянем настоящую, полную теорию мира".
"Для нас это - как запуск марсохода", - говорит Крис Полли, специалист Лаборатории Ферми.
Как объясняет ученый Университета Джона Хопкинса Давид Каплан, главной идеей эксперимента "Мюон G-2" было разделить элементарные частицы и проследить не только за их состоянием, но и за состоянием пространства между ними. "Тайны кроются не в маретии, а в пространстве  между ними, в квантовом поле", - считает ученый. Предыдущие эксперименты в течение десятилетий подтверждали справедливость Стандартной модели - до последнего эксперимента. "С учетом последних измерений, осуществленных специалистами лаборатории ЦЕРН в Большом Адронном коллайдере, мы можем утверждать, что поведение мюонов отличается от предсказанного теорией", - говорит профессор Ланкастер.    
Стандартная модеь несовершенна, утверждает Каку, поскольку она не в полной степени моделирует силу гравитации, не учитывая ее бесконечный радиус действия. Электромагнитная сила также имеет бесконечный радиус действия, при этом онасильнее гравитации, а сильные и слабые взаимодействия осуществляются лишь на коротких расстояниях, дрминируя на уровне взаимодействия субатомных частиц. С учетом этих особенностей Стандартная модель, имеющая дело именно с элементарными частицами, практически не принимает во внимание силу гравитации, поскольку вставить в нее гравитацию из-за бесконечно малого ее влияния представляется проблематичным. Между тем, в ее отсутствии кроется слабость Стандартной модели. Именно поэтому ученые постоянно пытались испытывать ее на прочность, обнаруживая несоответствия во взаимодействиях частиц. Это не удавалось около 50 лет - и вот теперь отклонения от моделивсе же обнаружились.    
Новый прорывный эксперимент осуществлен в Лаборатории Ферми в Батавии, штат Иллинойс, где ученые разработали технологию создания мюонов в ускорителях частиц, способных производить их в больших количествах. Мюонпочти в 200 раз тяжелее своего родственника электрона. Мюоны, образующиеся при столкновении солнычных лучей с атмосферой,  были открыты в 1936 году.    
"С самого начала мюоны удивляли физиков", - говорит ученый Грациано Веранзони из Лаборатории Ферми. Задачей ученых было проследить за колебаниями мюонов, вращающихся вокруггигантского магнита. Как и электроны, мюоны ведут себя так, словно внутри у них имеется магнит, поэтому в магнитном поле они прецессируют, или колеблются.  Частота колебаний определяется силой внутреннего магнита во внешнем магнитном поле и описывается цифрой, которую физики называют g-фактром, и которую можно вычислить с чрезвычайно высокой точностью.    
Вращаясь вокруг большого магнита, мюоны также взаимодействуют с квантовой пеной, состоящей из возникающих и исчезающих элементарных частиц. Концепция квантовой пены выросла из идеи Эйнштейна о колебаниях и отклонениях пространственно-временного континуума. Ученые ранее полагали, что он не сплошной и представляет собой подобие пены. Стандартная модель позволяет очень точно предсказать поведение частиц, составляющих пену, но если в квантовой пене содержатся частицы, или на нее действуют силы, не предусмотренные моделью, то g-фактор будет расти.    
По мнеию многих физиков, обнаруженные расхождения со стандартной моделью могут полностью поменять наше понимание законов Вселенной.  Специалистам Лаборатории Ферми необходимы еще 1-2 года, чтобы полностью проанализировать данные о частицах, двигавшихся входе эксперимента по 14-метровому магнитному кольцу. Если в результате полного анализа результаты не изменится, это будет означать огромный прорыв в области квантовой физики.    
Фмзик Мицио Каку в своей недавно опубликованной книге уже заявил о неполноте Стандартной модели. Он такжеуверен, что наблюдения за взаимодействиями элементарных частиц могут дать человечеству ключ к истинной и полной теории, описывающей поведение Вселенной.