Признаки тяжёлых бозонов массой около 270 и 750 ГэВ по результатам обработки экспериментальных данных ATLAS и CERN. Иллюстрация из ежегодного отчёта южноафриканской группы ЦЕРН за 2015-2016 гг (стр. 22)

Два отдельных эксперимента на детекторе ATLAS и компактном мюонном соленоиде (CMS) в Большом адронном коллайдере ЦЕРН дают основания предполагать существование новой элементарной частицы массой около 270 ГэВ. Согласно расчётам теоретических физиков из Южно-Африканской Республики, Индии и Швеции, для нового бозона среднеквадратичное отклонение от математического ожидания по абсолютной величине не превышает три сигма, т.е. вероятность попадания очередного фактического значения в доверительный интервал составляет 99,7%.


Визуализация реального эксперимента по столкновению двух протонов и двух мюонов высоких энергий в компактном мюонном соленоиде. Иллюстрация: Taylor L/McCauley T/CERN

Новую элементарную частицу предлагают назвать бозон Мадала: «мадала» переводится с зулусского как «старый».

Если её существование подтвердится, эта частица приблизит нас к разгадке одной из самых больших загадок Вселенной — что такое тёмная материя. Мадала может стать первой известной частицей, которая способна взаимодействовать с тёмной материей.


Идентификация бозона Хиггса по данным, полученным с детектора ATLAS. Иллюстрация из научной статьи "Search for Higgs boson pair production in the bb?bb? final state from pp collisions at vs=8 TeV with the ATLAS detector" / ATLAS Collaboration

Мадала сильно отличается от бозона Хиггса, открытого в 2012 году на том же БАК. Мадала тяжелее, при её распаде образуется бозон Хиггса. Но самое главное, что Мадала, в теории, взаимодействует с тёмной материей.

«Мадала важна для нашего понимания Вселенной. Через неё мы можем установить контакт с тёмной материей, — объясняет профессор Брюс Мельядо (Bruce Mellado) из школы физики Витватерсрандского университета (ЮАР), ведущий автор научной работы. — До сих пор у нас не было объекта, способного на такое. Это может быть первый такой объект».

Как учёные сделали вывод, что Мадала коммуницирует с тёмной материей? Очень просто. Поскольку тёмная материя — синоним «чего-то непонятного», то непонятную энергию бозона можно объяснить только контактом с тёмной материей. Это грубое, но очень логичное объяснение.

«Что-то непонятное» (неопределённый тип материи, т.е. небарионная тёмная материя) составляет примерно 26,8% расчётной массы Вселенной. Она не участвует в сильном и электромагнитном взаимодействии, а наблюдается только в гравитационных эффектах. Хотя никому не известно, что это такое, но оно должно существовать для соблюдения физических законов в их современной версии. И это «нечто» очень большое: для сравнения, обычная барионная материя составляет всего 4,9% массы Вселенной.


Учёный работает внутри криостата ATLAS. Фото: Claudia Marcelloni / CERN

Для проверки теории о бозоне Мадала участники коллабораций ATLAS и CMS только что выложили в открытый доступ результаты тех экспериментов, в которых африканские учёные подтвердили признаки новой элементарной частицы с погрешностью три сигма. Эти эксперименты проводились в 2015 и 2016 годах для подтверждения закономерностей (гипотеза Мадала), обнаруженных в экспериментальных данных Run I, то есть до закрытия БАК на два с половиной года в конце 2012 года. Новые экспериментальные данные подтвердили гипотезу Мадала с высокой достоверностью. Проектом Madala уже несколько лет занимается группа High Energy Physics Group (HEP) из 35 молодых студентов и исследователей из ЮАР и других африканских стран, которым помогают физики из Витватерсрандского университета, а также коллеги из Индии и Швеции.

Публикация новых экспериментальных данных ATLAS и CMS состоялась в рамках 38-й международной конференции по физике высоких энергий ICHEP2016, которая проходит в Чикаго с 3 по 10 августа 2016 года.

Профессор Мельядо говорит, что тёмная материя — новый фронтир современной физики. Учёные во всём мире соревнуются в том, кто раньше сможет понять, что это такое. Китай и Япония объявили о планах строительства собственных коллайдеров, которые помогут определить сущность тёмной материи и тёмной энергии.

Бозон Мадала поможет дополнить или заменить Стандартную модель — теоретическую конструкцию в физике элементарных частиц, описывающую электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц. Открытие бозона Хиггса помогло восполнить пробел в Стандартной модели, но она всё равно неспособна объяснить ряд других феноменов, в том числе существование тёмной материи и гравитации.

«Современная физика стоит на перепутье. Ситуация похожа на времена Эйнштейна и отцов квантовой механики, — говорит Брюс Мельядо. — Классическая физика не могла объяснить ряд феноменов. В результате, потребовались революционные новые концепции, такие как относительность и квантовая физика, которые привели к формированию современной физики, какой мы её знаем».

Открытие Мадалы и других тяжёлых W-бозонов станет свидетельством существования сил и частиц, о которых ранее не было известно. Подтверждение этих открытий станет основанием для формулирования новых фундаментальных физических теорий.

Нужно заметить, что в середине 2015 года физики из Венгерской академии наук тоже заявляли об открытии ещё одного нового бозона весом 17 МэВ (в 32,7 раза тяжелее электрона), по результатам экспериментов БАК, и о возможном открытии пятого фундаментального взаимодействия. Теоретически, этот бозон тоже может взаимодействовать с тёмной материей. Открытие венгерских учёных оставалось незамеченным до 2016 года, когда эти расчёты подтвердили физики-теоретики из Калифорнийского Университета в Ирвине.

Ежегодный отчёт южноафриканской группы ЦЕРН за 2015-2016 гг. Информацию о новых тяжёлых бозонах см. на стр. 22-23