Elementær partikkelfysikk i 2013 • Igor Ivanov • Vitenskapsnyheter om "Elements" • Fysikk

Elementær partikkelfysikk i 2013

Fig. 1. Kollasj av bilder valgt av magasinredaktører fysikk fra et utvalg av minneverdige publikasjoner fra 2013 i tidsskriftene til det amerikanske fysiske samfunnet. Bilde fra physics.aps.org

Den første fasen av Large Hadron Collider ble fullført, og i fysikk av elementære partikler i fjor var det en viss frist. Den feberiske analysen av dataene som fulgte hele 2012 ble erstattet av en periode med grundig refleksjon om dagens situasjon og planer for fremtiden. På grunn av nedetid på LHC, kom andre eksperimenter som studerer elementære partikler frem i 2013 – akselerator-, observasjons- og astrofysiske studier.

Hva var interessant på collider?

Hoved oppmerksomheten i fysikk av elementære partikler nå, og i nær fremtid, vil være fokusert på nye data fra Large Hadron Collider. Året 2012 ble preget av to viktige resultater: funnet av Higgs boson og de første indikasjonene på det etterlengtede, ekstra sjeldne forfallet av Bs-meson, veldig viktig for å teste mange teorier om New Physics. Forfallet av Higgs boson i to fotoner viste da en merkbar forskjell fra Standard Model (SM), som teoretikere begynte å tolke på forskjellige måter. Forfall Bs-meson skjønt enig med CM, men likevel igjen rom for ulike teorier. Selvfølgelig var det andre funn og nye resultater, men ingen fenomener som var betydelig utenfor standardmodellens omfang ble funnet.

I 2013 ble collider stoppet for en planlagt oppgradering. Nye data om protonkollisjoner ble ikke samlet, slik at fysikere kunne analysere all statistikk akkumulert på den tiden uten hastverk. I 2013 fullførte eksperimentelle grupper og publiserte flere hundre slike studier for en rekke prosesser; Noen av disse er beskrevet i vår LHC-nyhetsmating. På slutten av året kan situasjonen med hovedmålene til collider karakteriseres som følger:

  • Bildet med Higgs boson fremstår mer og mer pessimistisk: de oppdaterte målingene er i samsvar med standardmodellen. I mars har CMS-samarbeidet, etter å ha fullstendig rekonstruert dataene og dobbeltsjekket sin tolkning, endret konklusjonene om boson-forfallet i to fotoner. Hvis hun i 2012, sammen med ATLAS søstersamarbeid, rapporterte en betydelig økning i dette forfallet sammenlignet med standardspådommer, ser hun nå et svekket henfall.Således forsvant gåten til to-foton-henfall, som rørte fysikernes fantasi i løpet av 2012, plutselig. Hvis det i det siste finner collideret noe avvik, blir det veldig lite. Og i slutten av året ble data presentert om henfallet av Higgs boson i materielle partikler (figur 2); Også her viste alt seg for å være ekstremt standard.

    Fig. 2. Rekonstruksjon av hendelseskandidaten for fødsel og forfall av Higgs boson i to tau leptoner registrert av ATLAS detektoren. Analysen av slike ødeleggelser av Higgs boson i materielle partikler bekrefter standarditeten av den åpne bosonen. Bilde fra twiki.cern.ch

  • Forfall Bs-meson på muon-anti-muon-paret ble endelig bekreftet og flyttet inn i kategorien fullfunn. Den er også enig med standardmodellen. Målefeilen er imidlertid fortsatt 25%, så det er fortsatt muligheten til å oppdage betydelige avvik.
  • Søket etter supersymmetri på dusinvis av forskjellige måter ga uansett et negativt resultat. Dette lukkede selvsagt ikke supersymmetri som en ide, men i det minste fordrev mange fysikers håp om et helt fyrverkeri av nye effekter med relativtsmå energier. Nå er teoretikere tvunget til å revidere holdning til denne teorien og hva de kan forvente av det i fremtiden.
  • Fortsatt temaet supersymmetri, til resultatene fra 2013, men allerede i teoretisk partikkelfysikk, er det nødvendig å inkludere den gradvis kommende forståelsen at disse negative dataene ikke er så skadelige for supersymmetri som det syntes teoretikere for et år eller to siden. Det viser seg at selv enkle varianter av supersymmetriske modeller lett kan forenes med dagens data. Hvor naturlig ut fra teoripunktet er en slik "strekk" av disse modellene er et annet spørsmål som teoretikere har begynt å betale mer og mer oppmerksomhet til.

For å være rettferdig må jeg si at ikke alle resultatene som er oppnådd på Large Hadron Collider er i fullkommenhet med Standardmodellen; Eksempler på spesifikke emner finner du på siden av vitenskapelige resultater fra collider. Ingen avvik er imidlertid statistisk signifikant ennå.

Alle resultatene som er beskrevet ovenfor, klarte selvsagt sterkt ned den vitenskapelige spenningen som fulgte lanseringen av collideren. Men de betyr ikke at denne collideren ikke lenger passer til noe.Tvert imot – med den nye arbeidsøkten, som vil bli avholdt i 2015-2017, er nye, og enda mer fornuftige, forventninger knyttet. For det første øker kollisjonens energi, noe som betyr at de reaksjonene som ikke har gått så langt, blir mulige. For det andre vil luminositeten til collider øke flere ganger. Nå dykker fysikere ikke lenger inn i det ukjente, de forstår klart hvilke målinger og hvilken nøyaktighet de kan utføre i alle fall – og i disse målingene kan det også være en overraskelse. Og selv om denne andre fasen av arbeidet ikke gir noen funn, er det etter noen få år planlagt neste fase av arbeidet med en enda høyere lysstyrke. Det er nyttig å huske at dagens statistikk er bare prosentandeler av mengden informasjon fysikere vil ha om 10 år, så det er for tidlig å skynde seg til konklusjoner.

Utenfor Large Hadron Collider

Fysikk av elementære partikler studeres ikke bare på Large Hadron Collider; I verden nå er det flere dusin andre akseleratoreksperimenter. I motsetning til multifunksjonelle LHC er de designet for sine, noen ganger ganske spesielle oppgaver, og selv om de ikke kan skryte av enorme energier, de takler disse oppgavene.Disse er for eksempel kollider konstruert for lavere energier, eller meget spesielle eksperimenter som nøye studerer egenskapene til elementære partikler, prøver å oppnå rekordnøyaktighet eller registrerer svært sjeldne fenomener.

Et interessant resultat angående egenskapene til hadroner ble oppnådd i fjor av BESIII-samarbeidet på den kinesiske BEPC-akseleratoren og Belle-samarbeidet i det japanske akseleratorsenteret KEK. Begge forsøkene studerte fødselsprosessen av et sett med partikler π+πJ / ψ i elektron-positronkollisjoner og på grunn av dette oppdaget de en ny firekvarkstat Zc(3900) (se figur 3).

Fig. 3. Fordeling av hendelser med den invariante massen av et par π+J / ψ (til venstre: BESIII data til høyre: Belle data). En klar topp med en masse på 3.9 GeV indikerer tilstedeværelsen av en ny struktur med eksotiske egenskaper Zc(3900). Bilder fra diskuterte artikler

Strengt tatt er det ennå ikke bevist at Zc(3900) – det er en hel partikkel; Det kan bare være et unormalt sterkt samvirkende par D-mesoner. Eksperimenter sier derfor forsiktig i sine meldinger: En ny struktur med eksotiske egenskaper ble oppdaget. Men hvis dette er en fullverdig partikkel, bør den bestå av to kvarker og to antikviteter, som er forbundet med en sterk samhandling i en enkelt helhet.Slike multi-kvarkpartikler er et ekstremt sjeldent fenomen i familien av hadroner. Vanligvis består alle mesoner av en kvark og en antikvark, og til sist var det ikke kjent i det hele tatt om naturen tillater mer komplekse formasjoner. Det første eksemplet på en kvarkstat ble oppdaget for bare 10 år siden, og siden da har familien av eksotiske hadrons blitt fylt opp med svært motvillig. Den nye partikkelen er interessant ved at den på en pålitelig måte indikerer tilstedeværelsen av minst fire kvarker. Dømmer etter sin masse og forfall, den bør inneholde et c-anti-c-par, som andre stater av charmonium. Men et slikt par ville være elektrisk nøytral, mens Zc(3900) belastet; det betyr at det er andre kvarker i den.

Søket etter fine egenskaper og ekstremt sjeldne prosesser ble merket i 2013 av to svært merkbare resultater. Først oppnådde en ny generasjon eksperiment-ACME-søk elektrisk dipolmoment (EDM) elektron. I rammen av standardmodellen bør denne egenskapen for elektronen være ekstremt liten, mye mindre enn feilene i moderne eksperimenter, så alle forsøk på å måle det så langt har gitt nullresultat.I noen utførelser av den nye fysikken kan EDM-elektronen imidlertid bli kraftig forbedret, og i så fall bør søkningen snart bli kronet med suksess. Derfor er oppgaven med eksperimenter å forsøke å forbedre nøyaktigheten for å fange den svake effekten av ikke-null EDM. ACME-eksperimentet reduserte målingsfeilen for første gang siden begynnelsen av 2000-tallet, men resultatet var fortsatt null. Dette er imidlertid bare den første svalen; I de kommende årene bør vi forvente ytterligere forbedringer i nøyaktigheten, både i ACME og i andre eksperimenter.

Fig. 4. En skjematisk fremstilling av en begivenhet som ligner forfall av en muon i et elektron og en foton i en MEG detektor. Bilde fra meg.web.psi.ch

For det andre rapporterte MEG-samarbeidet om nye søkeresultater for ekstremt sjeldne forfall av en muon i et elektron og en foton (Figur 4). I rammen av standardmodellen er sannsynligheten for dette forfallet ufattelig liten, mindre enn 10-50Derfor vil enhver pålitelig registrert mengde angi New Physics. I sin artikkel forbedret MEG-samarbeidet resultatet fem år siden fem ganger. Ønsket forfall er fortsatt ikke synlig, men nå er øvre grense på sannsynligheten 5,7 · 10-13. Også i år ble det presentert et prosjekt for å modernisere dette eksperimentet, noe som vil forbedre denne begrensningen med en størrelsesorden.

Resultater i krysset mellom partikkelfysikk og astrofysikk

Fig. 5. Magazine cover vitenskap for 22. november 2013 med et bilde av svaret, som forlot nøytrinoen med en energi på 250 TeV, registrert av IceCube-detektoren. Bilde fra sciencemag.org

Egenskapene til elementære partikler kan studeres ikke bare ved å gjenskape dem i laboratoriet, men også ved å observere strømmen av partikler som kommer til oss fra rommet. Selvfølgelig er forholdene her ikke så "sterile" som i laboratoriet, men universet er i stand til å akselerere partikler til slike energier som ennå ikke er tilgjengelige for oss.

Det fremragende resultatet av 2013 var det første registrering av ultrahigh-energi nøytriner i neutrino teleskopet IceCube (figur 5). Dette er en stor, med en kubikk-kilometer, nettverk av lysfølsomme sensorer, nedsenket i tykkelsen av Antarktis-isen og observere gløden fra et stort dusjproduksjon generert av en høy-energi-partikkel. Mengden lys som oppsamles av sensorene, informerer om den frigjorte energien, og den nøyaktige tiden av hver av dem utløser for å gjenopprette partikkelformeringsmønsteret og derfor bestemme retningen fra hvilken nøytrinoen ankom.

Inntil nå har IceCube kun registrert nøytriner av moderat høy energi, noe som også kan være forårsaket av nøytriner som oppstod i jordens atmosfære når høye energi partikler av kosmiske stråler kolliderer. Imidlertid rapporteres i IceCube-samarbeidet i to artikler som ble publisert i år (MG Aartsen et al., Første Neutrinos med IceCube og IceCube Collaboration. Evidence for High-Energy Extraterrestrial Neutrinos på IceCube Detector) at det klarte å få nok Antall hendelser med ekstremt høye neutrino energier. I to tilfeller overskred nøytrinoenergien til og med 1 PeV (petaelektronvolt), som er 250 ganger mer enn protonenergien i Large Hadron Collider!

En slik mengde høy-energi nøytriner til en atmosfærisk kilde kan ikke lenger ignoreres. Dermed fanget IceCube-detektoren for første gang ekte ultrahigh-energi kosmiske nøytriner som kommer fra et sted i dypt rom og bære informasjon om prosessene som fant sted der med en stor konsentrasjon av energi. På grunn av at neutrinoer flyr gjennom alle hindringer og ikke avbøyes av galaksens magnetfelt, tillater de oss å se på slike prosesser, noe som åpner for oss "neutrino vision".

På fig. 6 viser himmelen fordelingen av alle 28 høy-energi nøytriner med energi over 30 TeV, registrert av IceCube detektoren.Det er nysgjerrig på at fem hendelser på en gang danner en kompakt klynge, og dette kan tyde på at alle kan ha blitt utsendt av en slags av en ekstremt kraftig kosmisk neutrino kilde. Dessverre viser statistisk testing at hittil denne konklusjonen er ubegrunnet, slik at en slik clustering kunne ha blitt dannet ved en tilfeldighet. Men situasjonen kan bli mer interessant når statistikken øker enda flere ganger.

Fig. 6. Sky distribusjon av 28 neutrino hendelser med energier over 30 TeV registrert av IceCube detektoren. Etter farge de gjenopprettede neutrino ankomst retninger er vist innenfor feilgrensene; blek farge viser at denne neutrino hendelsen er dårlig skilt fra den atmosfæriske neutrino bakgrunnen, lyse farger betyr at neutrino hendelsen er garantert å være av kosmisk opprinnelse. Hendelser er plottet på himmelen kartet i galaktiske koordinater. Bilde fra sciencemag.org

I fjor ble det oppnådd nye eksperimentelle resultater for direkte søk etter mørk materie partikler. De viktigste nyhetene var de første resultatene av LUX-eksperimentet, utgitt i oktober.Dette er en stor underjordisk væske xenon detektor, den første sluken av en ny generasjon detektorer med en arbeidsmasse på omtrent et tonn, som i de kommende årene vil bli med i dette løpet. LUX-detektoren fikk ikke se pålitelige bevis i favør av kollisjoner forårsaket av mørke partikkelpartikler, og etablerte dermed strengere restriksjoner på tverrsnittet for kollisjon av disse partiklene med arbeidsstoffet.

Men det som er interessant her er ikke engang begrensningen selv, men det faktum at disse dataene går imot rapportene fra observasjon (eller rettere, indikerer eksistensen av) partikler av mørk materie i CDMS-eksperimentet. De siste resultatene av den nye fasen av CDMS-arbeidet ble publisert i desember. Samarbeidet insisterer fortsatt på at det ser noe signal som kan tolkes som en manifestasjon av mørke materiepartikler med en masse på ca. 9 GeV. Hvordan å forene disse motstridende resultatene med hverandre er uklart.

Hvis jordbaserte detektorer prøver å registrere partikler med høy penetrerende kraft (nøytriner, mørk materie), studerer satellittobservasjonseksperimenter de kosmiske strålene av ladede partikler – først og fremst protoner, lyskjerner, elektroner og deres antipartikler.Av særlig interesse for fysikere er puslespill relatert til positrons med energier i størrelsesorden 100 GeV og høyere, noe som førte til mye støy for flere år siden. I år er de første dataene fra den nye store satellittdetektor AMS-02. Kort sagt, AMS-02 målte omhyggelig området for energier hvor noen merkelige rariteter ble observert i tidligere eksperimenter, og disse merkelighetene ble bekreftet. Imidlertid har AMS-02 muligheten til å stige enda mer på energiskalaen og dermed kanskje å lage nye funn. Samarbeidet starter nettopp denne analysen. Samtidig fortsetter teoretikere å spre spyd rundt mysteriene til kosmiske positrons.

Sosialt viktige hendelser

Fysikk av elementære partikler i år ble fortsatt mye hørt av allmennheten. Hovedopplysningen var selvsagt tildelingen av Nobelprisen i fysikk til François Engler og Peter Higgs. Denne prisen ble tildelt sitt arbeid for et halvt århundre siden, som lagde teoretiske grunnlag for et viktig fenomen, som nå bærer navnet på Higgs-mekanismen. Etter oppdagelsen av Higgs boson, ekkopartikkelen av denne mekanismen, ble kunngjort på CERN for et år siden, ble spørsmålet om tildeling av prisen hovedsakelig løst.

Vesentlig interesse, ledsaget av et ganske bredt spekter av svar, ble også forårsaket av den neste prisen på den nye grunnleggende fysikkprisen, som ble opprettet og sponset av den russiske forretningsmannen Yuri Milner. I år ble prisen for prisutdelingen for 2014 annonsert: Michael Green og John Schwartz vil motta prisen for deres fremragende bidrag til opprettelsen og utviklingen av teorien om superstrings.

Vel, hvis du går tilbake fra allmennheten til fysikere som studerer verden av elementære partikler, så var Snowmass 2013-arrangementet mye viktigere – en lang prosess med å oppsummere og danne en ny visjon om partikkelfysikkens mål og oppgaver i nær fremtid. Til tross for at noen vekt ble lagt på USAs rolle, vil hovedresultatet av denne prosessen – en lang liste med svært detaljerte vurderinger av ulike aspekter av partikkelfysikk – være nyttig for nesten alle forskere.

kilder:
1) BESIII Samarbeid. Observasjon av en ladet Charmonium Struktur+e → π+πJ / ψ på vs = 4.26 GeV // Phys. Rev. Lett. 110, 252001 (2013); Artikkelen er også tilgjengelig som en e-print arXiv: 1303.5949.
2) Belle Samarbeid. Studie av e+e → π+πJ / ψ og observasjon av en ladet Charmonium-lignende stat på Belle // Phys. Rev. Lett. 110, 252002 (2013); Artikkelen er også tilgjengelig som en e-print arXiv: 1304.0121.
3) ACME-samarbeidet. Dipole Moment of the Electron Order of Magnitude | vitenskap (2013), foreløpig publisering på nettet 19. desember 2013; Artikkelen er også tilgjengelig som en e-print arXiv: 1310.7534.
4) J. Adam et al. (MEG-samarbeid). Ny begrensning på forekomsten av μ+ → ey Decay // Phys. Rev. Lett. 110, 201801 (2013); Artikkelen er tilgjengelig som en e-print arXiv: 1303.0754.
5) M.G. Aartsen et al. (IceCube Collaboration). Første observasjon av PeV-Energy Neutrinos med IceCube // Phys. Rev. Lett. 111, 021103 (2013); Artikkelen er tilgjengelig som en e-print arXiv: 1304.5356.
6) IceCube-samarbeid. Bevis for ekstern-terrestriske nøytrinater med høy energi på IceCube-detektoren // vitenskap 342, 1242856 (2013); Artikkelen er tilgjengelig som en e-print arXiv: 1311.5238.
7) D.S. Akerib et al. Første resultater fra Sanford Underground Research Facility // e-print arXiv: 1310.8214.
8) R. Agnese et al. (CDMS-samarbeid). Silikon detektor av CDMS II Phys. Rev. Lett. 111, 251301 (2013); Artikkelen er også tilgjengelig som en e-print arXiv: 1304.4279.
9) M. Aguilar et al. (AMS-samarbeid). Det første resultatet av det magnetiske spektrometeret på den internasjonale romstasjonen: De kosmiske strålene på 0,5-350 GeV // Phys. Rev. Lett. 110, 141102 (2013).

Se også:
1) Høydepunkter av året – et utvalg av de mest minneverdige resultatene som ble publisert i 2013 i tidsskrifter av det amerikanske fysiske samfunnet.
2) Stor Hadron Collider – prosjektet på "Elements".
3) Publiser LHC-resultater for de siste 12 månedene.
4) Higgs boson: oppdagelse og planer for fremtiden, "Elements", 16.07.2012.
5) Higgs bosons forfall i materielle partikler er enda mer indikativ for sin standard, "Elements", 12/09/2013.
6) CMS og LHCb resultater for henfall Bs → μ+μ United, "The Elements", 07/29/2013.
7) Supersymmetri i lys av LHC data: hva skal jeg gjøre neste ?, "Elements", 07/01/2013.
8) De første resultatene av ACME-eksperimentet: Elektriske elektriske dipolmoment er fortsatt null, "Elements", 12/30/2013.
9) F. Halzen. Observasjon av høy-energi nøytriner med IceCube // SPIE Newsroom, 26. november 2013.
10) LUX-eksperimentet har ennå ikke oppdaget mørke materiepartikler, "Elements", 10/31/2013.
11) R. F. Lang. Upside Down Matter fysikk 6, 136 (2013).
12) De første resultatene av AMS-02-eksperimentet er interessante, men de brøt ikke sensasjoner, "Elements", 04.04.2013.
13) Nobelprisen i fysikk – 2013, "Elements", 10.10.2013.
14) Det største møtet i Snowmass-2013 oppsummerer, "Elements", 11/06/2013.
15) Grunnleggende Fysikkpris-prisen Nettsted.

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:
Legg att eit svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: