I segni di una "nuova fisica" apparvero in due grandi esperimenti. Il Tevatron Hadron Collider ha registrato particelle dove non dovrebbero essere e l'esperimento spaziale PAMELA ha trovato tracce del decadimento delle particelle di materia oscura. Entrambi i fatti si adattano bene alla teoria secondo cui esiste la "forza oscura"
Mentre il Large Hadron Collider (LHC) si prepara per le riparazioni dopo un grave incidente di settembre, l'americano Tevatron, che è sopravvissuto negli ultimi mesi come il più potente acceleratore del pianeta, ha presentato ai fisici una sorpresa inaspettata. Alla fine della scorsa settimana, i collaboratori della collaborazione CDF che lavorano al gigantesco rilevatore di particelle Tevatron con lo stesso nome hanno pubblicato un preprint che descrive qualcosa che va oltre il modello standard quasi sacro delle particelle elementari per i fisici.
Se questo segnale si rivela non essere un effetto di fondo non spiegato, questa scoperta sarà la prima prova terrena dei limiti del modello standard.
Terrestre nel senso che gli astrofisici conoscono da tempo la materia oscura e l'energia oscura, che anche loro non rientrano nel Modello Standard. È vero, praticamente non si sa nulla delle proprietà delle particelle che compongono la materia oscura.
Tevatron e muoni extra
Con il rivelatore CDF, i fisici studiano le particelle prodotte dalla collisione dei protoni - particelle caricate positivamente che costituiscono tutti i nuclei atomici e antiprotoni - i loro antipodi caricati negativamente. Nell'acceleratore Tevatron, come suggerisce il nome, queste particelle vengono accelerate a energie di quasi 1 TeV, o 1000 GeV - mille miliardi di elettronvolt, e l'energia di collisione è, di conseguenza, quasi 2000 GeV, il che rende possibile creare una varietà di, anche molto massiccia particelle elementari.
Tuttavia, non è nemmeno possibile fissare semplicemente l'esistenza della maggior parte delle particelle di interesse. Di norma, sono instabili e si trasformano in diverse particelle più leggere in una minuscola frazione di secondo. Sono le proprietà dei prodotti di decadimento che il rilevatore misura, e quindi i fisici, in accordo con la ben nota metafora, "cercano di ripristinare il meccanismo dell'orologio, esaminando i frammenti di ingranaggi dell'orologio che si sono scontrati quasi alla velocità della luce".
Uno degli "ingranaggi" più popolari di questo tipo è il muone. In termini di proprietà, i muoni sono molto simili agli elettroni ordinari che orbitano attorno ai nuclei atomici. Tuttavia, i muoni sono molto più massicci e quindi sono di particolare valore per i fisici sperimentali. In primo luogo, è più difficile "fuorviarli" quando incontrano i protoni e gli elettroni del rivelatore, e in secondo luogo, nelle collisioni stesse nascono meno, ed è più facile smontare le loro tracce nel rivelatore rispetto alle traiettorie entangled di numerosi elettroni.
Una delle particelle che è stata attivamente studiata utilizzando i muoni è il cosiddetto mesone B, che include un quark b pesante (o antiquark).
E qui i muoni hanno guidato a lungo gli sperimentatori per il naso.
La teoria della struttura e dell'interazione dei quark - la cromodinamica quantistica - consente di calcolare la probabilità della produzione di mesoni B e la loro partecipazione a varie interazioni. Quindi, è possibile stimare il numero di muoni che nasceranno durante il decadimento di queste particelle. Tuttavia, nell'esperimento, sono stati prodotti molti più muoni del previsto. Inoltre, un altro metodo per misurare le proprietà dei mesoni B ha mostrato risultati che sono sempre meglio in accordo con la teoria. Quindi gli sperimentatori avevano sempre meno ragioni per accusare i teorici di non sapere come contare (e i calcoli nella cromodinamica quantistica sono estremamente difficili).
La ragione di queste discrepanze è rimasta un mistero per molto tempo, fino a quando gli scienziati hanno scoperto che alcuni dei muoni, che i fisici per lungo tempo hanno preso per i prodotti di decadimento dei mesoni B, in realtà non avevano nulla a che fare con loro. Il fatto è che il mesone B vive pochissimo tempo e, essendo nato nella collisione di protoni e antiprotoni, riesce a volare fuori dall'asse del tubo a vuoto, dove avvengono le collisioni, solo di 1–2 mm. Qui decade in muoni. Quando gli scienziati hanno capito dove erano nati i muoni rilevati dal loro rivelatore, il problema dei mesoni B è stato risolto: come si è scoperto, alcuni di loro sorgevano molto più lontano dall'asse, e il contributo di questi "muoni extra" al risultato finale ha spiegato esattamente la discrepanza con la teoria.
Ma da dove vengono quei muoni "extra"?
Alcuni di loro hanno origine a 3 mm dall'asse, a cinque e a sette; alcuni sono completamente fuori dal tubo a vuoto, che in realtà non si adatta a nessuna porta.
La nascente "sensazione" fisica è collegata a queste particelle. Questa parola, rara per la scienza venerabile, caratterizza effettivamente l'entusiasmo di teorici e sperimentatori nel miglior modo possibile. Le discussioni sulla realtà dei segnali trovati dalla collaborazione CDF stanno già imperversando sui blog professionali dei fisici, e sul sito web dei prestampati elettronici alla Cornell University per il terzo giorno consecutivo, sempre più spiegazioni teoriche di ciò che hanno visto apparire.
Nuove particelle?
In linea di principio, ci possono essere una grande varietà di ragioni per la comparsa di particelle non necessarie o, come dicono i fisici, "di fondo", e la maggior parte dell'articolo della collaborazione CDF è dedicata all'analisi delle possibili ragioni per la comparsa di un segnale che non fa appello alla "nuova fisica" oltre lo standard Modelli. Forse non abbiamo preso in considerazione alcune altre particelle da cui nascono i muoni, ad esempio i raggi cosmici, o forse prendiamo per i muoni altri prodotti di decadimento delle particelle prodotte nel Tevatron? Infine, forse i segnali stessi nel rivelatore, che prendiamo per tracce di muoni, non sono tali: rumore, fluttuazioni statistiche, artefatti di metodi furiosi di elaborazione matematica dei risultati sperimentali?
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Secondo gli autori dell'ultimo lavoro, non sono riusciti a trovare una spiegazione "standard".
Da segnalare che quasi un terzo della collaborazione - circa 200 persone su 600 - ha rifiutato di apporre la propria firma sull'articolo, che da quasi sei mesi era sottoposto ad un "audit interno". Di…
Tutto sembra come se fossero riusciti a trovare segni dell'esistenza di una nuova particella che vive molto più a lungo del mesone B, e non ha posto nella fisica che conosciamo. Tuttavia, gli scienziati si astengono ancora da un'affermazione così diretta: l'esperienza di un'intera generazione di fisici, più e più volte convinti dell'applicabilità del modello standard a fenomeni apparentemente del tutto inspiegabili, si fa sentire. Ma è impossibile ignorare semplicemente quasi 100mila eventi registrati da uno dei migliori strumenti dell'acceleratore ancora più potente sulla Terra.
Le proprietà dei muoni "extra" sono sorprendenti di per sé. Uno dei più sorprendenti è che molto spesso sono nati in "branchi" - non una particella alla volta, ma due, tre, persino otto alla volta. Inoltre, di regola, dal punto in cui sono nati, non volavano in tutte le direzioni, ma approssimativamente nella stessa direzione - gli scienziati usano persino il termine "getto di muoni". E l'energia caratteristica di una nuova particella sconosciuta - se esiste davvero - è di diversi GeV. In altre parole, la "nuova fisica" - se cominciamo davvero a distinguerla nella nebbia di muoni - inizia ad energie non nelle migliaia di GeV, verso le quali sono diretti mostri come l'LHC, ma molto prima.
E queste proprietà approssimano in modo sorprendente i risultati dell'acceleratore terrestre con i dati pubblicati pochi giorni prima dal rilevatore di antiparticelle spaziali PAMELA.
Frazione di positroni in funzione dell'energia // Gruppo PAMELA, arXiv.org
Risultati dell'esperimento PAMELA Il
veicolo di ricerca internazionale PAMELA a bordo del satellite artificiale russo "Resurs-DK1" ha registrato in modo affidabile un eccesso di positroni ad alta energia nel flusso dello spazio carico …
Secondo molti astrofisici, l'eccesso di positroni ad alta energia (antiparticelle agli elettroni) nei raggi cosmici deriva dal decadimento o dall'annientamento di misteriose particelle di materia oscura. Questo è un altro elemento della fisica al di là del modello standard, la cui esistenza (e anche il dominio della massa) gli astronomi conoscono da tempo, ma non possono dire nulla di utile: ecco perché è materia oscura, che non è visibile, e la sua presenza cede solo attraverso la gravità.
Dark Power
Come si è scoperto, il quartetto di teorici di Princeton, Harvard e New York ha già una spiegazione dei risultati di PAMELA, che è tornata utile con i nuovi dati del Tevatron. Secondo Nima Arkanihamed e i suoi colleghi, nell'ambito del loro modello supersimmetrico, si ottiene una spiegazione unificata e naturale per l'eccesso di positroni misurato in modo affidabile dall'apparato PAMELA, un sottile eccesso di raggi gamma provenienti apparentemente dal nulla e il bagliore nebbioso del centro della galassia in gamma e raggi radio registrati da altri satelliti astrofisici.
Secondo il modello, le particelle di materia oscura hanno una massa di circa 1000 GeV e non partecipano alle interazioni che conosciamo. Tuttavia, agiscono l'uno sull'altro con l'aiuto di una forza "oscura" a corto raggio, che viene trasportata da un'altra particella oscura con una massa di circa 1 GeV. In altre parole, ai tre tipi usuali di interazione, che agiscono solo sulla materia ordinaria (elettromagnetica e nucleare, debole e forte), se ne aggiunge uno in più, che agisce solo nel mondo della materia oscura. La gravità, come al solito, si distingue, collegando entrambi i mondi.
I teorici avevano bisogno della forza "oscura" per legare le particelle di materia oscura in una sorta di "atomi", in cui una delle particelle oscure ha una "carica oscura" negativa e l'altra ha una "carica oscura" positiva. Solo la formazione di "atomi" consente alla materia oscura di annichilirsi abbastanza intensamente da spiegare i risultati delle osservazioni astrofisiche (questo è il cosiddetto meccanismo di Sommerfeld).
Tuttavia, la particella che trasporta la forza "oscura" può già decadere direttamente con l'emissione di particelle ordinarie, ed è questa particella, secondo Arkanihamed e i suoi colleghi, che potrebbe essere responsabile della comparsa di muoni "extra".
Inoltre, il decadimento delle particelle scure cariche di una carica oscura procede naturalmente a cascata fino a quando non colpisce la particella scura stabile più chiara, che non ha nulla in cui decadere. Ogni fase di questa cascata coinvolge una particella - un portatore di forza oscura, e quindi un muone extra può apparire ad ogni fase. Questo per quanto riguarda i muoni in "pacchi". Bene, il fatto che volino tutti nella stessa direzione è semplicemente dovuto al fatto che la particella in decomposizione si sta muovendo rapidamente, quindi le cariche dei fuochi d'artificio festivi, che esplodono prima di raggiungere il punto più alto della loro traiettoria, lanciano intere fontane di luci brillanti in avanti. Questo per quanto riguarda il "jet".
Tuttavia, la pubblicazione dei dati da parte delle collaborazioni CDF e PAMELA porterà senza dubbio all'emergere di decine, se non centinaia, di possibili spiegazioni nei prossimi mesi. Quindi potrebbe non valere la pena soffermarsi sul modello di Arkanihamed. Finora, si distingue solo per il fatto che era in tribunale quando interpretava sia quelli che altri dati.
Ovviamente è possibile che entrambi i risultati sperimentali ricevano spiegazioni più banali. "Muoni extra" potrebbero rivelarsi nient'altro che un effetto strumentale non spiegato della gigantesca installazione CDF, e "positroni extra" potrebbero essere generati in prossimità di stelle di neutroni nella nostra Galassia.
Ma le prospettive sono intriganti. Nel mondo della materia oscura, che fino a poco tempo fa sembrava essere una torbidità senza forma dietro la quale gli astronomi nascondono la loro incomprensione della struttura del mondo, iniziò ad emergere una struttura: una sorta di interazioni, "cariche oscure", "atomi oscuri". Forse la fisica non è finita e le nuove generazioni di scienziati avranno qualcosa da studiare nel "mondo oscuro".
