Автор статьи – Дон Линкольн, старший учёный в лаборатории при БАК Fermilab, работающей под эгидой энергетического департамента США. Недавно написал книгу "Большой адронный коллайдер: необычная история бозона Хиггса и другие вещи, которые вас поразят".
У науки с интернетом сложные взаимоотношения: наука движется вперёд путём осторожной и тщательной оценки данных и теории, и этот процесс может идти годами. А в интернете способность аудитории к концентрации напоминает диснеевскую рыбку Дори из мультика «В поисках Немо» (А теперь и «В поисках Дори») – тут мем, здесь фотка звезды… Ой, смотрите – смешной котик…
Поэтому люди, интересующиеся серьёзной наукой, должны осторожно относиться к информации, выложенной в интернете, заявляющей о научном исследовании, кардинально меняющем парадигму науки. Недавний пример – статья, в которой утверждается о возможном открытии пятого фундаментального взаимодействия. Если бы это было так, нам бы пришлось переписывать учебники.
Как физик, я хочу пролить дисциплинированный научный свет на это заявление.
Пятое взаимодействие
Так что же заявляется?
В статье, отправленной 7 апреля 2015 года на сайт arXiv, группа венгерских исследователей описала изучение поведения интенсивного пучка протонов на тонких литиевых мишенях. Обнаруженные столкновения создавали возбуждённые ядра бериллия-8, распадавшегося на обычный беррилий-8 и пары электрон-позитрон.
Они заявили, что полученные ими данные нельзя объяснить известными физическими явлениями в Стандартной модели, заправляющей современной физикой частиц. Но объяснение этих данных было возможно при существовании неизвестной доселе частицы массой в 17 миллионов эВ, что в 32,7 раз тяжелее электрона, или составляет 2% от массы протона. Частицы, появляющиеся при таких энергиях, довольно низких по современным меркам, хорошо изучены. И было бы весьма неожиданно, если бы там была обнаружена новая.
Однако измерения перенесли экспертную оценку и были опубликованы 26 января 2016 года в журнале Physical Review Letters, одном из самых престижных журналов по физике мира. В этой публикации исследователи и их исследование преодолели впечатляющее препятствие.
Это измерение мало кто замечал до тех пор, пока на него не обратила внимание группа физиков-теоретиков из Калифорнийского университета в Ирвине (UCI). И как обычно поступают теоретики со спорными физическими измерениями, команда сравнила их с имеющимися работами, собранными за последнюю сотню лет, чтобы увидеть, соответствуют ли новые данные с уже собранной информацией. В этом случае они вели сравнение с десятком опубликованных исследований.
Они обнаружили, что хотя измерения и не конфликтуют с предыдущими исследованиями, в них наблюдается нечто, чего раньше не встречалось – и нечто, чего нельзя объяснить Стандартной моделью.
Новая теоретическая платформа
Чтобы разобраться в венгерских измерениях, эта группа теоретиков из UCI придумала новую теорию.
Теория эта весьма экзотична. Они начали с разумного предположения, что новая возможная частица не объясняется существующей теорией. Это имеет смысл, поскольку у возможной новой частицы малая масса, и если бы она описывалась известными законами физики, её бы нашли раньше. Если эта частица подчиняется новым законам физики, возможно, присутствует и новое взаимодействие. Поскольку традиционно физики говорят о четырёх известных фундаментальных взаимодействиях (гравитация, электромагнетизм, сильное и слабое), это новое гипотетическое взаимодействие назвали «пятым».
История теорий и открытий пятого взаимодействия довольно разнообразна, она насчитывает несколько десятилетий, и в её рамках новые измерения и идеи возникали, чтобы потом исчезнуть. С другой стороны, существуют загадки, не объясняемые обычной физикой – например, тёмная материя. Хотя тёмную материю всегда моделировали как единственную форму стабильной массивной частицы, испытывающей гравитацию и ни одну из других известных сил, нет причин, по которым тёмная материя не участвовала бы в таких взаимодействиях, в которых не принимает участие обычная. Ведь обычная материя участвует во взаимодействиях, в которых не участвует тёмная – так что тут нет ничего глупого.
Есть много идей о взаимодействиях, влияющих только на тёмную материю, и все они в общем называются "сложная тёмная материя". Одна из известных идей говорит о существовании тёмного фотона, взаимодействующего с тёмным зарядом, переносимым только тёмной материей. Эта частица – тёмный аналог фотона обычной материи, взаимодействующего с известным нам электрическим зарядом, но с одним исключением: некоторые теории сложной тёмной материи наделяют тёмные фотоны массой, в отличие от обычных фотонов.
Если тёмные фотоны существуют, они могут связываться с обычной материей (и обычными фотонами) и распадаться на электрон-позитронные пары, которые и исследовала группа венгерских учёных. Поскольку тёмные фотоны не взаимодействуют с обычным электрическим зарядом, эта связь может возникнуть лишь благодаря причудам квантовой механики. Но если учёные начали наблюдать увеличение электрон-позитронных пар, это может означать, что они наблюдают тёмные фотоны.
Ирвинская группа нашла модель, включающую «протофобную» частицу, не исключаемую ранними измерениями, способную объяснить венгерский результат. «Протофобные», то есть «избегающие протонов» частицы, редко или почти никогда не взаимодействуют с протонами, но могут взаимодействовать с нейтронами (нейтрофильные).
Частица, предложенная ирвинской группой, участвует в пятом, неизвестном взаимодействии, проявляющемся на расстоянии в 12 фемтометров, или в 12 раз большем, чем размер протона. Частица протофобная и нейтрофильная. Масса частицы составляет 17 миллионов эВ и может распадаться на электрон-позитронные пары. В дополнение к объяснению венгерского эксперимента, такая частица могла бы объяснить и некоторые несоответствия, обнаруженные в других экспериментах. Последнее добавляет немного веса этой идее.
Взаимодействие, меняющее парадигму?
Вот так оно есть.
Что может оказаться правдой? Данные – это главное. Потребуются другие эксперименты, чтобы подтвердить или опровергнуть изменения. Всё остальное неважно. Но на это потребуется около года, и было бы неплохо придумать какую-нибудь идею за это время. Лучший способ оценки вероятности того, что открытие окажется настоящим, это изучение репутации исследователей, участвовавших в эксперименте. Это, конечно, вульгарный способ заниматься наукой, но он может приглушить ваши ожидания.
Начнём с ирвинской группы. Многие из них (особенно руководители) имеют хорошую репутацию и являются устоявшимися экспертами в области, и у них в резюме есть хорошие работы. Возраст группы разный, есть и пожилые, и молодые участники. Некоторых из них я знаю лично, двое из них читали теоретические части в главах книги, которую я написал, чтобы удостовериться в том, что я не наговорил там глупостей (Кстати, ошибок они не нашли, но помогли прояснить некоторые моменты). Это объясняет моё уважение к членам ирвинской группы, хотя, возможно, и делает меня предвзятым. Я практически уверен в том, что их работа по сравнению новой модели с существующими данными была тщательной и профессиональной. Они обнаружили небольшой и неисследованный регион возможных теорий.
С другой стороны, сама теория довольно умозрительная и маловероятная. Это не приговор – так можно сказать про все теории. Ведь Стандартная модель, управляющая физикой частиц, известна уже 50 лет и хорошо изучена. Кроме того, все новые теории умозрительные и маловероятные, и большинство из них неверны. Это тоже не приговор. Есть много способов добавить исправления к существующим теориям, чтобы объяснить новые явления. И все не могут быть верны. А иногда ни одна из предлагаемых теорий не оказывается верной.
Однако, можно заключить, исходя из репутации членов группы, что они придумали новую идею и сравнили её со всеми имеющими к ней отношение данными. То, что они опубликовали свою модель, означает, что она прошла их тесты, и осталась правдоподобной, пусть и маловероятной, возможностью.
Что насчёт венгерской группы? Никого из них я не знаю лично, но статью напечатали в Physical Review Letters – это уже идёт им в плюс. Однако эта группа публиковала две предыдущих работы, в которых наблюдались схожие аномалии, включая возможную частицу массой в 12 миллионов эВ, и частицу массой в 14 миллионов эВ. Обе работы были опровергнуты другими экспериментами.
Далее, венгерская группа так и не объяснила, что послужило причинами ошибок в опровергнутых работах. Ещё один звоночек – то, что группа редко публикует данные, не содержащие аномалий. Это маловероятно. В моей исследовательской карьере большинство публикаций подтверждали существующие теории. Повторяющиеся аномалии очень редки.
Так что в итоге? Надо ли радоваться новому возможному открытию? Ну, конечно, возможные открытия – это всегда интересно. Стандартная модель выдерживала проверки 50 лет, но есть и необъяснённые загадки, и научное сообщество всегда ищет открытия, указывающие на новые и недоказанные теории. Но каковы шансы, что это измерение и теория приведут к тому, что научное сообщество примет существование пятого взаимодействия с радиусом действия в 12 фм и частицу, остерегающуюся протонов? Мне кажется, шансов мало. Я не отношусь к идее оптимистически.
Конечно, мнение – это всего лишь мнение, пусть и информирование. Другие эксперименты также будут искать тёмные фотоны, поскольку даже если венгерские измерения не пройдут проверки, проблема тёмной материи будет существовать. Многие эксперименты в поисках тёмных фотонов будут изучать то же пространство параметров (энергию, массу и режимы распада), в которых, по заявлению венгерских исследователей, и найдена аномалия. Скоро, в течение года, мы узнаем, была ли эта аномалия открытием или же ещё одним глюком, временно взбудораживших сообщество, чтобы затем быть отброшенным после получения более аккуратных данных. Но неважно, чем это закончится – всё равно результатом этого будет улучшенная наука.
Комментарии (33)
NeoCode
03.09.2016 23:31Хотелось бы еще прояснить с взаимодействием Хиггса — является ли оно также «пятым взаимодействием» (и тогда сабжевое будет «шестым») или нет?
Shkaff
03.09.2016 23:45Нет, не является. Вообще, термина «взаимодействие Хиггса» нет, бозон Хиггса взаимодействует с остальными частицами обычным образом.
NeoCode
03.09.2016 23:57+3«обычным» — это каким? электромагнитным?
Halt
04.09.2016 06:52+2Образом, предусмотренным Стандартной моделью. Электромагнитное взаимодействие является только одним из.
Mad__Max
04.09.2016 17:58Однако в Стандартной Модели каждая частица из класса бозонов является переносчиком какого-то своего фундаментального взаимодействия:
фотоны — электромагнитного
глюоны — сильного ядерного
W и Z бозоны — слабого ядерного
предполагаемый гравитон — гравитационного
бозон Хиггса — согласно СМ тоже бозон, значит он тоже должен отвечать конкретному взаимодействию из этих 4х. Либо это какое-то 5я фундаментальной взаимодействие. Так что вопрос NeoCode вполне закономерен — в этом смысле открытие бозона Хиггса от этого предполагаемого «темного фотона»(нового массивного бозона) отличается только тем, что 1й сначала предсказали теоретически в нескольких вариантах, а потом открыли на практике подтвердив один из вариантов теории, а 2й сначала открыли на практике (предположительно — если результаты экспериментов подтвердятся), а только потом будут вписывать в теорию.
Правда т.к. бозон Хиггса был введен в СМ как механизм нарушения электрослабой симметрии, без которого (нарушения) электромагнитное и слабое ядерное взаимодействия являются одним единым фундаментальным взаимодействием, то наверно можно считать Хиггс бозоном объединеного электрослабого взаимодействия? Т.е. в некотором роде 5го, но не самостоятельного, а являющегося слиянием 2х базовых.Shkaff
04.09.2016 23:53+3я уж побуду занудой, но вы имеете ввиду элементарные бозоны, конечно, а не целый класс «бозоны».
Во-вторых, бозон никому ничего не должен, это не так работает — скорее уж в обратную сторону, если есть взаимодействие, то его будет переносить бозон. Я, честно говоря, не встречал в серьезных публикациях механизм Хиггса как отдельное взаимодействие, мне кажется, для этого должны были бы быть какие-то формальные основания, но я не специалист тут, могу ошибаться.Mad__Max
07.09.2016 19:58Да, конечно только элементарные бозоны подразумевал. Надо было это уточнить.
Ну поле-то соответствующее есть (поле Хиггса) и взаимодействие частиц с этим полем есть. А так да, сначала поле, взаимодействие — их них следует что должен быть бозон переносчик этих взаимодействий. Его и назвали бозоном Хиггса и позже подтвердили его существование экспериментально.
Отдельного (от всех 4х) и нет. Считать ли электрослабое взаимодействие отдельной 5й силой если это просто другое проявление уже 2х известных сил? Или же наоборот считать что сил у нас всего 3, одна из которых проявляется по разному на низких энергиях(и которую раньше описывали отдельно как электромагнитное и слабое)?
Тогда и электромагнитное и слабое взаимодействия и механизм Хиггса — это все одно фундаментальное взаимодействие просто в разных его проявлениях.
Поскольку сейчас физики теоретики все больше думают в стороны объединения всего и вся, стараясь привести все к общим основам (в идеале чтобы на действительно фундаментальном уровне взаимодействие вообще осталось всего одно), то Хиггс обычно не выделяется в собственную силу.
mobi
05.09.2016 14:51+2Не совсем так. В СМ все взаимодействия описываются калибровочными теориями поля, т.е. вы задаете группу симметрии, требуете калибровочной инвариантности, и после квантования получаете векторные (со спином единица) бозоны в количестве, равном числу генераторов заданной группы симметрии. Бозон Хиггса, во-первых, вводится в СМ «вручную», во-вторых он является скалярным (со спином ноль), поэтому он сильно отличается от всех остальных. А что касается гравитона, он предположительно является тензорным бозоном (со спином два) и пока неизвестно, можно ли его вообще непротиворечиво ввести в СМ (скорее нет, чем да).
Так что то, что каждому взаимодействию соответствует свой бозон, есть лишь следствие калибровочной инвариантности, и обратное утверждение (каждому бозону по взаимодействию) не верно. Например, гелий-4, хоть и составная частица, по факту является бозоном, но никакого взаимодействия не переносит.
PS. Я немного из другой области физики, и это то, что помню из университетского курса.
SilverHorse
04.09.2016 11:10+2Попытаюсь объяснить на бытовом уровне. Есть четыре взаимодействия. У них есть соответствующие им бозоны — частицы, являющиеся переносчиками взаимодействия. Слово «переносчиками» означает, что взаимодействие можно представить так, что между двумя, тремя, etc. объектами взаимодействия идет непрерывный обмен этими частицами (в виртуальном виде). Взаимодействиям сопоставляются соответствующие поля, а частицы-переносчики — кванты этих полей. Так вот, взаимодействие (что следует из самого термина) — это по сути действие одного вещественного объекта на другой посредством соответствующего поля. Поле Хиггса же, квантом которого является бозон Хиггса, не является полем взаимодействия — оно не обеспечивает опосредованное действие одного объекта на другой, вместо этого оно само посредством воздействия на один конкретный объект наделяет этот объект некоторой характеристикой, которой является масса, и этими объектами в том числе являются и сами бозоны — переносчики взаимодействий (ради которых это поле и было введено, потому что «в чистом виде» для описания полей взаимодействий как математических абстракций масса не требуется, она становится необходима позже, когда эти взаимодействия переносятся на реальный мир). Формально можно сказать, что поле Хиггса — это не поле взаимодействия, это то, что делает взаимодействия такими, как они есть.
Да поправит меня Shkaff ежели чего не так. :)Mad__Max
04.09.2016 18:18+2А какая разница? Обычные взаимодействия так же идут не напрямую между 2мя частицами (или телами), а частица всегда взаимодействует только с соответствующим полем. В этом плане поле Хиггса не исключение. Разница в только в том, что нет какого-то конкретного источника этого поля — оно равномерно и присутствует везде (хе-хе, ну прям как эфир 100 лет назад — тоже ведь некая вездесущая все пронизывающая среда).
Есть фундаментальное поле, есть взаимодействие частиц с этим полем, есть квант этого поля — бозон Хиггса. Все как в 4х остальных фундаментальных взаимодействиях.
Так что Хиггса даже часто называют 5м фундаментальным взаимодействием: http://elementy.ru/video?pubid=432213
Хотя по-идее это не полностью новое взаимодействие (как предполагается в обсуждаемом случае с некими «темными фотонами»), а лишь объединение уже 2х известных: электромагнитного и слабого в общую сущность, называемую электрослабым взаимодействием.NeoCode
04.09.2016 22:41Вот и получается что с одной стороны это как-бы пятое фундаментальное взаимодействие (причем с очень необычными свойствами — «равномерно и присутствует везде» и т.п.), а с другой стороны — как бы и нет.
Shkaff
04.09.2016 23:49Мне всегда кажется, что предпочтительнее сущности не множить. Если уж они не взаимодействуют никак отлично от основных 4х — то и не надо выделять для них отдельное понятие, дабы не путать никого. Да и система стройнее получается (хотя применительно к Стандартной Модели это довольно забавно говорить).
GreenStore
05.09.2016 14:49Разве гравитация — это взаимодействие? Гравитация — следствие искривления пространства-времени.
Mad__Max
07.09.2016 20:02Согласно ОТО — да искривление пространства-времени.
Согласно квантовой механики и КТП — нет, это поле и взаимодействие, которое должно описываться в тех же теориях и терминах, как и остальные 3 фундаментальных взаимодействия.
А вот как скреститьужа с ежомОТО с КТП — это одна из важнейших задач современной теоретической физики.
old_bear
03.09.2016 23:59+4Какое-то двоякое впечатление. С одной стороны автор заявляет, что «данные – это главное» и согласен, что нужно эти данные проверить, а с другой стороны пускается в рассуждения о степени доверия исследователям, которых он не знает, на основании каких-то собственных критериев, не имеющих к данным ни малейшего отношения.
IMHO, если бы автор остановился на предложении «Всё остальное неважно.», то статья только бы выиграла, т.к. первая часть (с фактическим материалом и пояснениями) очень даже интересна и познавательна.
alltiptop
04.09.2016 00:45-5>Они обнаружили небольшой и неисследованный регион возможных теорий
Не бывает «небольших» неисследованных регионов:)
[сарказм] возможно, они обнаружили неизвестную частицу в 14 млд. инвестиций [/сарказм]
Sayonji
04.09.2016 02:40+2>что в 32,7 раз тяжелее электрона и на 2% меньше массы протона
Как так получилось, что протон всего лишь в 33 раза тяжелее электрона? Мне казалось, что электрон совсем легкий по сравнению с ядром.aaamodder
04.09.2016 08:35+3Таки в оригинале «and just shy of 2 percent the mass of a proton» — составляет 2% от массы протона, что уже похоже на правду.
ghostinushanka
04.09.2016 23:31Оборот «shy of ...» означает «не хватать». (не верите мне, поверьте тезаурусу Кембриджа). Так что оригинал как раз — «на 2% меньше массы протона». Подумав, я понимаю, что могло показаться что фраза звучит как «не дотягивает до 2-х процентов массы протона», но мне пришлось сильно задуматься чтобы так перевести фразу. Интуитивно — первый вариант.
Sayonji «в 33 раза» по вашему не «совсем лёгкий» по сравнению?Sayonji
05.09.2016 00:12Нет конечно, «в 33 раза» значит, что ядро, скажем, хлора уже будет весить меньше, чем атом хлора, на целую атомную единицу, что бред.
VenomBlood
05.09.2016 03:04+2Все интуитивно как раз
X shy of Y. — не хватает X до Y.
just shy of 2% — X == just, Y == 2%
Т.е. немного не хватает до 2%
Иначе было бы just 2% shy of the mass of a proton.
t-nick
05.09.2016 14:49Скорее «чуть менее 2% от массы протона» или, боле грубо, «немного не дотягивает до 2% массы протона»
akardapolov
04.09.2016 13:52-4Валерий Рубаков, например, называет Стандартную модель «уродливой». Накопившиеся противоречия/странности СМ предлагает решить используя антропный принцип. https://www.youtube.com/watch?v=xZuE7aOp_vo&feature=youtu.be&t=1100 (смотреть с 19:00).
TheIncognito
05.09.2016 14:49Обнаруженные столкновения возбуждали ядра бериллия-8, распадавшегося на обычный беррилий-8 и пары электрон-позитрон.
Хммм…
Возбуждённое ядро распадается на само себя?
Или же просто испускает пары?
black_semargl
05.09.2016 17:48Испускает частицу, которая распадается на электрон и позитрон.
Хотя, по-идее, должен гамма-квант вылетать.Mad__Max
07.09.2016 20:31Там как понимаю пролистав бегло работу и гамма кванты вылетают. Только гамма такой высокой энергии (десятки МэВ) вблизи заряженного ядра практически гарантированно тоже превращается в электрон-позитронную пару.
И новую частицу обнаружили просто как пик на графике распределения вылетающих позитронов и электронов по энергиям: гамма кванты могут быть какой угодно энергии, поэтому они дают равномерный фон. А вот частица имеющая какую-то конкретную массу всегда будет распадаться на позитрон-электронные пары одной и той же энергии: масса частицы постоянна, масса электрона и позитрона тоже постоянные, значит сумма энергий позитрона+электрона образовавшихся в таком распаде тоже должна быть постоянной — следует из закона сохранения энергии.black_semargl
07.09.2016 22:43Гамма-кванты и должны вылетать — это «штатный» путь снятия возбуждения ядра. Но как понимаю зарегистрировали и что-то ещё аномальное.
> гамма кванты могут быть какой угодно энергии, поэтому они дают равномерный фон.
В данном случае не могут — там чёткий линейчатый спектр., соответствующий уровням возбуждения. 17, 25, 30 и 34 МэВ. Хоть гамма-лазер делай :)
Хотя конечно собственное движение ядер размоет.
И они предполагают, что первый уровень как раз совпал с массой новой частицы.
А вообще — интресный момент. В ядре поровну нейтронов и протонов. Если возбуждён протон — то он энергию гамма-квантом сбросить может, потому как имеет заряд.
А вот у нейтрона заряда нет, и ему придётся излучать что-то другое.
Mad__Max
07.09.2016 20:21Исправленный вариант перевода:
В статье, отправленной 7 апреля 2015 года на сайт arXiv, группа венгерских исследователей описала изучение поведения интенсивного пучка протонов на тонких литиевых мишенях. Обнаруженные столкновения создавали возбуждённые ядра бериллия-8, распадавшегося на обычный беррилий-8 и пары электрон-позитрон.
Вообще там ядерный синтез — пучок протонов высоких энергий врезается в мишень из лития. Некоторые протоны сливаются с ядрами лития и в результате слияния образуются возбужденные ядра бериллия-8.
Возбужденное ядро через какое-то время переходит в обычное (невозбужденное) состояние сбрасывая избыток энергии в виде гамма квантов или электрон-позитронных пар. Поэтому можно сказать что и распадается на невозбужденное ядро и пару частиц — возбужденные ядра часто описываются как отдельные изотопы (изомеры) со своим периодом полураспада.
Само образовавшееся ядро бериллия-8 тоже нестабильно (причем очень — срок жизни меньше чем у возбужденного изомера) и в свою очередь распадается на 2 альфа частицы. Впрочем последняя ступень распада к теме отношения не имеет.
nikitastaf1996
Когда читаю статью про новую частицу постоянно возникает ощущение что потом выяснится что это одна сущность с парой тройкой параметров и все эти частицы будут производными от нее.
RetroGuy
Ну это же единая теория всего, конечная цель физики по сути