Стандартная модель физики

Первое свидетельство редкого распада бозона Хиггса является косвенным доказательством существования частиц, выходящих за рамки Стандартной модели.

Открытие бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРН в 2012 году ознаменовало собой важную веху в физике элементарных частиц. Все потому, что бозон Хиггса или «частица Бога» отвечает за механизм появления масс у некоторых других элементарных частиц и подтверждает правильность Стандартной модели. Обнаружение этой неделимой частицы привело к лучшему пониманию Вселенной, а на протяжении последних десяти лет физики изучали бозона Хиггса, пытаясь установить различные способы его образования и распада. Так, согласно Стандартной модели, бозон Хиггса с массой около 125 миллиардов электронвольт может распадаться на Z-бозон и фотон, однако другие модели элементарных частиц прогнозируют иную скорость деградации. Это означает, что редкие случаи распада частицы Бога один из которых ученые наблюдали совсем недавно могут изменить наше представление о мироздании.

Современная физика частиц основана на Стандартной модели, описывающей электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех известных элементарных частиц.

Поле Хиггса

Давайте начнем с основ: квантовая теория поля утверждает, что все частицы, вращающиеся или нет, являются локальными возбуждениями или флуктуациями внутри квантовых полей. Эти поля играют важную роль в обеспечении соблюдения законов природы. Электромагнитное поле, гравитационное поле, электронное поле, поле Хиггса все это поля, которые пронизывают пространство.

Более того, существует квантовое поле для каждой из 12 известных частиц материи, а также поля для всех четырех фундаментальных взаимодействий. Выходит, в нынешнем описании природы каждая частица это волна в поле. Наиболее ярким примером является свет, способный быть и волной в электромагнитном поле и потоком частиц, называемых фотонами, одновременно. А в случае с бозоном Хиггса на первом месте стоит поле.

Согласно теории, через поле Хиггса, заполняющее пространство Вселенной, проходят абсолютно все частицы, из которых строятся атомы.

Поле Хиггса поле, обеспечивающее спонтанное нарушение симметрии электрослабых взаимодействий благодаря нарушению симметрии вакуума. Квантом этого поля является бозон Хиггса, получивший свое название в честь британского физика Питера Хиггса.

Впервые поле Хиггса было предложено в 1964 году как новый вид поля, заполняющего всю Вселенную и придающее массу всем элементарным частицам. Это означает, что собственной массы у частиц нет, они приобретают ее, взаимодействуя с полем Хиггса. И чем сильнее это взаимодействие, тем тяжелее становится частица. Фотоны, например, не взаимодействуют с этим полем и, следовательно, не имеют массы.

Как обнаружить бозон Хиггса?

Интересно, что просто взять и «обнаружить» где-нибудь бозон Хиггса нельзя его можно создать сталкивая частицы между собой. В результате столкновения бозон Хиггса преобразуется или распадается в другие частицы, обнаружить которые можно с помощью детекторов.

Большой адронный коллайдер (БАК) разгоняет протоны до околосветовой скорости и сталкивает их друг с другом, создавая каскад быстро распадающихся частиц.

Проблема заключается в том, что бозон Хиггса появляется примерно в одном из миллиарда столкновений в БАК. Тщательный статистический анализ огромных объемов данных выявил слабый сигнал этой неуловимой частицы в 2012 году.

Бозон Хиггса скалярная частица, а значит, не имеет спина (не вращается)

4 июля 2012 года коллаборации ATLAS и CMS объявили об открытии новой частицы. Несмотря на то, что открытие частицы Бога укрепило Стандартную модель, исследования на этом не закончились. Более того, одним из главных открытий, сделанных с 2012 года, связано с наблюдением крайне редкого распада бозона Хиггса.

Свойства бозона Хиггса

По данным ЦЕРН, масса бозона Хиггса составляет 125 миллиардов электронвольт. Это означает, что частица Бога в 130 раз массивнее протона, не заряжена и имеет нулевой спин квантово-механический эквивалент углового момента. Бозон Хиггса единственная элементарная частица без спина.

Больше по теме: Что такое бозон Хиггса и почему ученые хотели его открыть

Бозон Хиггса нельзя просто где-то обнаружить. Но его можно создать сталкивая частицы между собой на околосветовых скоростях

Исследователи полагают, что бозон Хиггса существовал в ранней Вселенной в условиях высоких энергий, из-за чего его распад происходит слишком быстро. Вот почему идентифицировать его удалось наблюдая за распадом частиц, которые указывали на частицу без спина и соответствовали теоретическим предсказаниям для «отсутствующего бозона».

Интересный факт
Фундаментальные частицы, такие как электроны и кварки, получают большую массу взаимодействуя с полем Хиггса (даже сам бозон Хиггса получает свою массу в результате взаимодействия с полем Хиггса). При этом протоны, состоящие из кварков, получают большую часть своей массы за счет энергии, которая удерживает их составляющие вместе.

Распад «частицы Бога»

Согласно Стандартной модели, если масса бозона Хиггса составляет около 125 миллиардов электронвольт, то бозон Хиггса распадется на Z-бозон (электрически нейтральный переносчик слабого взаимодействия) и фотон (переносчик электромагнитного взаимодействия) с вероятностью всего 0,15%. Словом, этот распад является невероятно редким событием, а его наблюдение может стать косвенным доказательством существования частиц, выходящих за рамки Стандартной модели.

И так как другие теории, расширяющие Стандартную модель, предсказывают иную скорость распада, измерение его скорости дает ценную информацию как о физике элементарных частиц, так и о природе бозона Хиггса.

Бозон Хиггса стал последней экспериментально открытой частицей Стандартной модели

В других теориях, например, бозон Хиггса не распадается непосредственно на Z-бозон и фотон. Вместо этого распады протекают через промежуточный «цикл» виртуальных частиц, которые появляются и исчезают, а обнаружить их невозможно. Эти виртуальные частицы могли бы включать в себя новые, пока еще не открытые частицы, которые взаимодействуют с бозоном Хиггса.

Не пропустите: Обнаружение нейтрино и как оно поможет разгадать тайны Вселенной

Редкий распад бозона Хиггса

В мае 2023 года исследователи ЦЕРН заявили, что впервые наблюдали распад бозона Хиггса не на пару b-кварк-b-антикварк, или на пару фотонов, или на две пары электрон-позитрон (антиэлектрон) и/или мюон-антимюон (как это происходит обычно), а на Z-бозон и фотон.

Используя данные о столкновениях на Большом адронном коллайдере, физики ATLAS и CMS провели обширные поиски распада бозона Хиггса на Z-бозон и фотон. Оба поиска использовали схожие стратегии, идентифицируя Zбозон по его распаду на пары электронов или мюоны более тяжелые версии электронов. Эти распады Z-бозона происходят примерно в 6,6% случаев. В ходе поисков физики также использовали передовые методы машинного обучения.

Читайте также: Физики получают все больше доказательств существования новой, неизвестной силы природы

В новом исследовании ATLAS и CMS объединили наборы данных, собранные в ходе ранее проведенных экспериментов во время второго запуска БАК, который состоялся в период с 2015 по 2018 год. Результатом совместных усилий стало первое свидетельство распада бозона Хиггса на Z-бозон и фотон.

События-кандидаты от ATLAS (слева) и CMS (справа) для бозона Хиггса, распадающегося на Z-бозон и фотон, с Z-бозоном, распадающимся на пару мюонов.

Каждая частица имеет особые отношения с бозоном Хиггса, что делает поиск редких распадов Хиггса высокоприоритетным. Благодаря тщательному сочетанию отдельных результатов ATLAS и CMS мы сделали шаг вперед к разгадке еще одной тайны бозона Хиггса, сообщила журналистам координатор ATLAS по физике Памела Феррари.

Существование новых частиц может оказать существенное влияние на редкие случаи распада бозона Хиггса. Более того, новое исследование проверяет на прочность Стандартную модель. Эксперименты по поиску редких случаев распада бозона Хиггса запланированы на 2029 год, после завершения модернизации БАК.

Хотите всегда быть в курсе последних новостей из мира науки и высоких технологий? Подписывайтесь на наш канал в Telegram так вы точно не пропустите ничего интересного!

Как физика частиц влияет на нашу жизнь?

Поразительно, но открытие бозона Хиггса является лишь началом пути. Исследователи надеются, что в будущем смогут понять, является ли частица Бога единственной в своем роде, может ли она объяснить как образовалась Вселенная и когда материя восторжествовала над антивеществом. Более того, изучая свойства и распад бозона Хиггса, физики, возможно, смогут обнаржить новые частицы и даже таинственную темную материю.

Но вот что удивительно бозон Хиггса оказывает и будет продолжать оказывать влияние на нашу жизнь, причем так, как вы, возможно, и не представляли. Это часть ответа на вопрос, почему мы и все, с чем мы взаимодействуем обладаем массой, испытываем любопытство к устройству Вселенной и ее эволюции.

Событие-кандидат на распад бозона Хиггса на Z-бозон и фотон
The ATLAS Collaboration

В поисках этой неуловимой частицы физики создали невероятные по своей силе технологии ускорителей и детекторов частиц, что привело к достижениям в области здравоохранения и аэрокосмической промышленности.

Только представьте, как может измениться наше представление о Вселенной, если ученые обнаружат существование частиц, не предсказанных Стандартной моделью. Подробнее о том, действительно ли мир стоит на пороге открытия «новой физики» мы рассказывали здесь, рекомендуем к прочтению!

Мюонное кольцо g-2 в Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми (Fermilab, США), работает при температуре минус 450 градусов по Фаренгейту и изучает колебания мюонов при прохождении через магнитное поле.

Вот и наступил долгожданный момент на этой неделе ученые объявили о существовании неизвестных для науки элементарных частиц и взаимодействий между ними, которые жизненно необходимы для природы и эволюции космоса. Наши постоянные читатели наверняка знают, что в последнее время число свидетельств того, что крошечная субатомная частица, похоже, не подчиняется известным законам физики, растет. Новое открытие, о котором поговорим в этой статье, открывает дверь в неизвестность в нашем понимании Вселенной. Как пишет в своем Twitter американский физик-теоретик Митио Каку, полученные результаты свидетельствуют о том, что мюон (его обнаружили в космических лучах) и электрон которые должны быть идентичны по-видимому, обладают разными свойствами. Это может являться свидетельством существования некой «высшей теории физики, включающей новые частицы, и одновременно быть подтверждением теории струн». И все же, не все ученые так оптимистичны.

Прощай, Стандартная модель?

О том, что одно новое открытие, вероятно, является важнейшим для современной физики, пишут все мировые СМИ. Еще бы эксперименты с частицами, известными как мюоны, показывают, что существуют неизвестные науке формы материи и энергии. Несмотря на поразительный успех в объяснении фундаментальных частиц и сил, составляющих Вселенную, описание Стандартной модели остается прискорбно неполным.

Во-первых, она не учитывает гравитацию и точно так же молчит о природе темной материи, темной энергии и масс нейтрино. Чтобы объяснить эти явления и многое другое, ученые искали Новую физику (физику за пределами Стандартной модели), исследуя аномалии, в которых экспериментальные результаты расходятся с теоретическими предсказаниями.

Что такое Мюон

Мюон это неустойчивая элементарная частица с отрицательным зарядом, похожая на электрон, но гораздо тяжелее. Является неотъемлемым элементом космоса. Исследователи отмечают, что эти фундаментальные частицы представляют собой крошечные вращающиеся вокруг собственной оси магниты.

Исследователи Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми (Fermilab, США) в ходе эксперимента Muon g-2 хотели получить точные измерения колебания магнитных мюонов при прохождении через магнитное поле. Если экспериментальное значение магнитного момента этих частиц отличается от теоретического предсказания аномалия это отклонение может быть признаком новой физики, в которой на мюон влияет тонкая и неизвестная частица или сила.

«Это наш момент посадки марсохода», сказал Крис Полли, физик из Национальной ускорительной лаборатории Ферми, где проводятся исследования в интервью The New York Times.

Недавно обновленное экспериментальное значение для мюонов, опубликованное в Physical Review Letters, отклоняется от теории лишь на ничтожную величину (0,00000000251) и имеет статистическую значимость 4,2 сигма. Для полной уверенности ученым нужно достичь показателя в 5 сигма. Но даже это крошечное количество может сильно изменить направление физики элементарных частиц.

Как пишет Scientific American, при такой статистической значимости сигмы исследователи пока не могут сказать, что совершили открытие. Но доказательства существования новой физики в мюонах в сочетании с аномалиями, недавно наблюдавшимися в эксперименте Большого адронного коллайдера Beauty (LHCb) в ЦЕРНЕ близ Женевы впечатляют и раззадоривают ученых. Подробнее об этом открытии читайте в нашем материале.

Как физики обнаружили аномалию

Представьте себе каждый мюон в виде крошечных аналоговых часов. По мере того как частица вращается вокруг магнита, ее часовая стрелка вращается со скоростью, предсказанной Стандартной моделью. Когда время мюона истекает, он распадается на позитрон, который испускается в направлении часовой стрелки. Но если эта стрелка поворачивается со скоростью, отличной от теоретической скажем, слишком быстро распад позитрона в конечном итоге будет направлен в несколько ином направлении. (В этой аналогии часовая стрелка соответствует спину мюона квантовому свойству, определяющему направление распада мюона.) Обнаружьте достаточно отклоняющихся позитронов, и вы получите аномалию.

Когда мюон путешествует в пространстве, это пространство на самом деле представляет собой шипящий и роящийся суп из бесконечного числа виртуальных частиц, которые могут появляться и исчезать.

Кольцо хранения частиц мюона g-2 в здании MC-1 в Fermilab.

Однако то, что эта аномалия подразумевает, неоднозначно. Возможно, что-то не учитывается Стандартной моделью, и это может быть разница между электронами и мюонами. Или же подобный эффект может наблюдаться в электронах, которые в настоящее время слишком малы, чтобы их можно было увидеть. Напомним, что масса частицы связана с тем, насколько она может взаимодействовать с более тяжелыми неизвестными частицами, поэтому мюоны, масса которых примерно в 200 раз больше массы электронов, гораздо более чувствительны.

Ученые также сообщили, что вероятность того, что полученные измерения могут быть случайностью равняются одному из 40 000. Это значительно меньше золотого стандарта, необходимого для официального открытия по стандартам физики, а результаты, полученные исследователями, составляют лишь 6 процентов от общего объема данных, которые мюонный эксперимент, как ожидается, соберет в ближайшие годы.

Читайте также: Ученые приблизились к пониманию того, почему существует Вселенная

Новая физика

Сенсационное открытие исследователей из Fermilab является важным звеном в нашем понимании того, что может лежать за пределами Стандартной модели, но у теоретиков, которые ищут новую физику, нет бесконечного пространства для исследования. Любая теория, которая пытается объяснить результаты мюонного эксперимента, должна также учитывать отсутствие новых частиц, в ходе исследований на БАК в ЦЕРН.

Осмотр мюонного кольца g-2 в 2013 году.

Интересно, что в некоторых из предложенных на сегодняшний день теорий Вселенная содержит несколько типов бозонов Хиггса, а не только тот, который включен в Стандартную модель. Другие теории ссылаются на экзотические «лептокварки», которые вызывают новые виды взаимодействий между мюонами и другими частицами. Но поскольку многие из простейших версий этих теорий уже были исключены, физикам «приходится мыслить нетрадиционными способами», пишет National Geographic.

Однако как и Fermilab, эксперимент LHCb нуждается в большем количестве данных, прежде чем заявить о новом открытии. Но даже сейчас сочетание этих двух результатов не дает физикам спать спокойно.

Следующий шаг в этом направлении исследований повторить полученные результаты. Выводы Fermilab основаны на первом запуске эксперимента, который закончился в середине 2018 года. В настоящее время команда анализирует данные двух дополнительных запусков. Если эти данные будут похожи на данные полученные в ходе первого запуска, их может быть достаточно, чтобы сделать аномалию полномасштабным открытием к концу 2023 года.

Хотите всегда быть в курсе последних новостей из мира популярной науки и высоких технологий? Подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram, чтобы не пропустить ничего интересного!

Физики также приступили к внимательному изучению предсказаний Стандартной модели, особенно в тех ее местах, которые, как известно, трудно вычислить. Новые суперкомпьютеры также должны помочь в этом нелегком деле, но все же потребуются годы, чтобы просеять эти тонкие различия и увидеть, как они влияют на охоту за новой физикой.

Физик-теоретик Митио Каку поделился своими мыслями о последних открытиях в своем Twitter.

Также нельзя не отметить реакцию на последние открытия известных физиков-теоретиков в Twitter. Митио Каку, например, считает, что полученные результаты также могут являться подтверждением теории струн. О том, как теория струн стала одной из величайших надежд теоретической физики, а потом пришла в долгосрочный упадок, мы рассказывали в этой статье. Рекомендую к прочтению.

Мюонное кольцо g-2 в Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми (Fermilab, США), работает при температуре минус 450 градусов по Фаренгейту и изучает колебания мюонов при прохождении через магнитное поле.

Вот и наступил долгожданный момент на этой неделе ученые объявили о существовании неизвестных для науки элементарных частиц и взаимодействий между ними, которые жизненно необходимы для природы и эволюции космоса. Наши постоянные читатели наверняка знают, что в последнее время число свидетельств того, что крошечная субатомная частица, похоже, не подчиняется известным законам физики, растет. Новое открытие, по мнению ученых, открывает дверь в неизвестность в нашем понимании Вселенной. Как пишет в своем Twitter американский физик-теоретик Митио Каку, полученные результаты свидетельствуют о том, что мюон (его обнаружили в космических лучах) и электрон которые должны быть идентичны по-видимому, обладают разными свойствами. Это может являться свидетельством существования некой «высшей теории физики, включающей новые частицы, и одновременно быть подтверждением теории струн». Но не все ученые с ним согласны, так как чтобы подтвердить полученные в Fermilab результаты, потребуются годы исследований.

Прощай, Стандартная модель?

О том, что новое открытие, вероятно, является важнейшим для современной физики, пишут все мировые СМИ. Еще бы эксперименты с частицами, известными как мюоны, показывают, что существуют неизвестные науке формы материи и энергии. Несмотря на поразительный успех в объяснении фундаментальных частиц и сил, составляющих Вселенную, описание Стандартной модели остается прискорбно неполным.

Во-первых, она не учитывает гравитацию и точно так же молчит о природе темной материи, темной энергии и масс нейтрино. Чтобы объяснить эти явления и многое другое, ученые искали Новую физику (физику за пределами Стандартной модели), исследуя аномалии, в которых экспериментальные результаты расходятся с теоретическими предсказаниями.

Что такое Мюон

Мюон это неустойчивая элементарная частица с отрицательным зарядом, похожая на электрон, но гораздо тяжелее. Является неотъемлемым элементом космоса. Исследователи отмечают, что эти фундаментальные частицы представляют собой крошечные вращающиеся вокруг собственной оси магниты.

Исследователи Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми (Fermilab, США) в ходе эксперимента Muon g-2 хотели получить точные измерения колебания магнитных мюонов при прохождении через магнитное поле. Если экспериментальное значение магнитного момента этих частиц отличается от теоретического предсказания аномалия это отклонение может быть признаком новой физики, в которой на мюон влияет тонкая и неизвестная частица или сила.

«Это наш момент посадки марсохода», сказал Крис Полли, физик из Национальной ускорительной лаборатории Ферми, где проводятся исследования в интервью The New York Times.

Недавно обновленное экспериментальное значение для мюонов, опубликованное в Physical Review Letters, отклоняется от теории лишь на ничтожную величину (0,00000000251) и имеет статистическую значимость 4,2 сигма (для полной уверенности ученым нужно достичь показателя в 5 сигма). Но даже это крошечное количество может сильно изменить направление физики элементарных частиц.

Как пишет Scientific American, при такой статистической значимости сигмы исследователи пока не могут сказать, что совершили открытие. Но доказательства существования новой физики в мюонах в сочетании с аномалиями, недавно наблюдавшимися в эксперименте Большого адронного коллайдера Beauty (LHCb) в ЦЕРН близ Женевы впечатляют и раззадоривают ученых. Подробнее об этом открытии читайте в нашем материале.

Как физики обнаружили аномалию

Представьте себе каждый мюон в виде крошечных аналоговых часов. По мере того как частица вращается вокруг магнита, ее часовая стрелка вращается со скоростью, предсказанной Стандартной моделью. Когда время мюона истекает, он распадается на позитрон, который испускается в направлении часовой стрелки. Но если эта стрелка поворачивается со скоростью, отличной от теоретической скажем, слишком быстро распад позитрона в конечном итоге будет направлен в несколько ином направлении. (В этой аналогии часовая стрелка соответствует спину мюона квантовому свойству, определяющему направление распада мюона.) Обнаружьте достаточно отклоняющихся позитронов, и вы получите аномалию.

Когда мюон путешествует в пространстве, это пространство на самом деле представляет собой шипящий и роящийся суп из бесконечного числа виртуальных частиц, которые могут появляться и исчезать.

Кольцо хранения частиц мюона g-2 в здании MC-1 в Fermilab.

Однако то, что эта аномалия подразумевает, неоднозначно. Возможно, что-то не учитывается Стандартной моделью, и это может быть разница между электронами и мюонами. Или же подобный эффект может наблюдаться в электронах, которые в настоящее время слишком малы, чтобы их можно было увидеть. Напомним, что масса частицы связана с тем, насколько она может взаимодействовать с более тяжелыми неизвестными частицами, поэтому мюоны, масса которых примерно в 200 раз больше массы электронов, гораздо более чувствительны.

Ученые также сообщили, что вероятность того, что полученные измерения могут быть случайностью равняются одному из 40 000. Это значительно меньше золотого стандарта, необходимого для официального открытия по стандартам физики, а результаты, полученные исследователями, составляют лишь 6 процентов от общего объема данных, которые мюонный эксперимент, как ожидается, соберет в ближайшие годы.

Читайте также: Ученые приблизились к пониманию того, почему существует Вселенная

Новая физика

Сенсационное открытие исследователей из Fermilab является важным звеном в нашем понимании того, что может лежать за пределами Стандартной модели, но у теоретиков, которые ищут новую физику, нет бесконечного пространства для исследования. Любая теория, которая пытается объяснить результаты мюонного эксперимента, должна также учитывать отсутствие новых частиц, в ходе исследований на БАК в ЦЕРН.

Осмотр мюонного кольца g-2 в 2013 году.

Интересно, что в некоторых из предложенных на сегодняшний день теорий Вселенная содержит несколько типов бозонов Хиггса, а не только тот, который включен в Стандартную модель. Другие теории ссылаются на экзотические «лептокварки», которые вызывают новые виды взаимодействий между мюонами и другими частицами. Но поскольку многие из простейших версий этих теорий уже были исключены, физикам «приходится мыслить нетрадиционными способами», пишет National Geographic.

Однако как и Fermilab, эксперимент LHCb нуждается в большем количестве данных, прежде чем заявить о новом открытии. Но даже сейчас сочетание этих двух результатов не дает физикам спать спокойно.

Следующий шаг в этом направлении исследований повторить полученные результаты. Выводы Fermilab основаны на первом запуске эксперимента, который закончился в середине 2018 года. В настоящее время команда анализирует данные двух дополнительных запусков. Если эти данные будут похожи на данные полученные в ходе первого запуска, их может быть достаточно, чтобы сделать аномалию полномасштабным открытием к концу 2023 года.

Хотите всегда быть в курсе последних новостей из мира популярной науки и высоких технологий? Подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram, чтобы не пропустить ничего интересного!

Физики также приступили к внимательному изучению предсказаний Стандартной модели, особенно в тех ее местах, которые, как известно, трудно вычислить. Новые суперкомпьютеры также должны помочь в этом нелегком деле, но все же потребуются годы, чтобы просеять эти тонкие различия и увидеть, как они влияют на охоту за новой физикой.

Физик-теоретик Митио Каку поделился своими мыслями о последних открытиях в своем Twitter.

Также нельзя не отметить реакцию на последние открытия известных физиков-теоретиков в Twitter. Митио Каку, например, считает, что полученные результаты также могут являться подтверждением теории струн. О том, как теория струн стала одной из величайших надежд теоретической физики, а потом пришла в долгосрочный упадок, мы рассказывали в этой статье. Рекомендую к прочтению.

Впервые физики использовали лазерный свет (фиолетовый) для охлаждения антиматерии. Серые линии показывают движение атома антиводорода до охлаждения; синие-после.

Пока мы с вами заняты повседневными делами, ученые в ЦЕРН охлаждают почти до абсолютного нуля антиматерию и вообще-то стоят на пороге открытия Новой физики. И так как нет на свете ничего интереснее чем тайны мироздания, предлагаю ненадолго отложить дела и погрузиться в изумительный мир физики. Начнем с того, что теорию антиматерии впервые предложил английский физик-теоретик, один из создателей квантовой теории Поль Дирак в 1928 году. Всего четыре года спустя его теория получила подтверждение. Сегодня мы знаем, что антиматерией ученые называют эфирную противоположность материи. Ее частицы идентичны своим материальным двойникам, за исключением их физических свойств там, где электрон имеет отрицательный заряд, его антиматериальный двойник, позитрон, имеет положительный. Причина, по которой мы не сталкиваемся с антиматерией так часто, как с обычной материей, заключается в том, что они аннигилируют друг с другом при контакте, что чрезвычайно затрудняет хранение и изучение антиматерии в повседневной жизни.

Материя и антиматерия

Теория, которая описывает большую часть взаимодействий всех известных науке элементарных частиц называется Стандартной моделью. Если она верна, то все физические свойства и химические элементы частиц материи и антиматерии (за исключением заряда), должны были быть одинаковыми космологи полагают, что в первые секунды после Большого взрыва материи и антиматерии во Вселенной было примерно поровну. Это, однако, противоречит реальности и ученые уже много десятилетий спорят о том, почему в наблюдаемой Вселенной антиматерии нет.

Сегодня многие ученые считают, что ответ необходимо искать в малейших различиях в поведении, свойствах и устройстве частиц материи и антиматерии. Такие различия, например, могут существовать в массах протонов и антипротонов, но на сегодняшний день доказательств этой теории нет. Причина, в частности, кроется в отсутствии разнообразных инструментов для сложных манипуляций с частицами антиматерии.

Читайте также: Крах Стандартной модели колебание крошечной частицы нарушает известные законы физики

Недавно физики из Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) в Швейцарии в рамках проекта ALPHA-2 попробовали решить проблему антиматерии с помощью специальной магнитной ловушки для позитронов и антипротонов, благодаря которым образуются одиночные атомы антиводорода.

Эксперимент ALPHA в ЦЕРН.

Антиводород простейший стабильный атом, который состоит только из частиц антиматерии, а именно антипротона и антиэлектрона (позитрона). В 1995 году 11 атомов антиводорода были получены в результате реакций в ускорителе частиц в ЦЕРН. Каждый атом существовал всего несколько десятков наносекунд.

Необходимо отметить, что с помощью так называемой магнитной ловушки, ученые уже не раз уточняли массу одиночных антипротонов и атомов антиводорода, а также измеряли их взаимодействие с гравитацией.

Как охладить антиматерию?

Разгоняя обычные частицы материи до скорости, близкой к скорости света, а затем разбивая их вместе, команда исследователей из Канады смогла создать античастицы. Затем ученые управляли и замедляли ускоряющиеся античастицы, используя чрезвычайно сильные магнитные и электрические поля. В конце концов, им удалось заключить облака позитронов и антипротонов в магнитное поле, пока те не объединились в антиводород. Когда это произошло, физики охладили антиводородное облако, взорвав его лазером. Но как вообще можно охладить что-то лазером?

Пристальное внимание к лазерам, которые используются в ALPHA-2 для измерения позитронов, антиводорода и свойств антипротонов, позволило ученым предположить, что их можно было бы использовать чтобы значительно «затормозить» движение частиц, тем самым охладив антиматерию.

В ходе исследования, результаты которого опубликованы в журнале Nature, физики подобрали для лазеров особую частоту работы, при которой пучки порождаемых ими частиц света активно взаимодействовали только с теми атомами антиводорода, что двигались в сторону детекторов ускорительной установки. Это позволило ученым быстро получить разреженное облако из атомов материи и антиматерии, которые двигались очень медленно и практически не сталкивались друг с другом.

Хотите всегда быть в курсе последних новостей из мира науки и популярных технологий? Подписывайтесь на наш канал в Google News, чтобы не пропустить ничего интересного!

Ведущий автор исследования Макото Фудзивара стоит перед экспериментальным аппаратом ALPHA в ЦЕРН в Швейцарии.

Облучая атомы антиводорода таким образом, ученым в конечном итоге удалось охладить их на одну двадцатую градуса выше абсолютного нуля, что сделало антиматерию более чем в 3000 раз холоднее самой холодной зарегистрированной температуры в Антарктике. Также физики проследили за частиц антиводорода с фотонами (частицами света). Как отмечают авторы исследования, первое в истории охлаждение антиматерии увеличивает точность подобных измерений как минимум в четыре раза.

Это интересно: Физики переосмысли строение Вселенной. Темная энергия больше не нужна?

Между тем, новые исследования в этой области должны помочь ученым раскрыть некоторые из самых больших секретов Вселенной, например, как на антиматерию влияет гравитация и реальны ли некоторые из фундаментальных теоретических симметрий, предложенных физикой.»В будущем мы хотим получить один антиатом в вакууме и разделить его на квантовую суперпозицию, чтобы он создал интерференционную картину с самим собой», объясняют авторы исследования в интервью Live Science.

Все потому, что квантовая суперпозиция позволяет очень маленьким частицам, таким как антиводород, появляться более чем в одном месте одновременно. Поскольку квантовые частицы ведут себя и как частица, и как волна, они могут интерферировать друг с другом, создавая картину пиков и впадин, подобно тому, как волны из моря движутся через буруны. Одним словом, впереди еще очень много работы, но будущее определенно точно принесет с собой серьезные изменения в нашем понимании окружающей Вселенной.

Последние комментарии