Читаем без скачивания Млечный Путь, 21 век, No 4(45), 2023 - Изя Шлосберг

***

Итан Сигел

Существует ли пятая фундаментальная сила природы?

Несмотря на все, что мы узнали о природе Вселенной - от фундаментального, элементарного уровня до самых больших космических масштабов, которые только можно себе представить, - мы абсолютно уверены, что предстоит сделать еще много великих открытий. Наши лучшие на данный момент теории впечатляют: квантовые теории поля, описывающие электромагнитное взаимодействие, а также сильные и слабые ядерные взаимодействия, с одной стороны, и общая теория относительности, описывающая эффекты гравитации, с другой стороны. Где бы этим теориям ни бросали вызов, от субатомных до космических масштабов, они всегда выходили победителями.

И тем не менее, эти теории не могут отразить все, что существует. Современная физика не может объяснить, почему во Вселенной больше вещества, чем антивещества. Мы также не можем понять, какова природа темного вещества, является ли темная энергия чем-то иным, кроме космологической постоянной, и как именно произошла космическая инфляция, создавшая условия для горячего Большого взрыва. И на фундаментальном уровне мы не знаем, объединяются ли каким-либо образом все известные силы под каким-то всеобъемлющим зонтиком.

У нас есть подсказки о том, что во Вселенной есть нечто большее, чем то, что мы знаем сейчас, но есть ли новая фундаментальная сила? Хотите - верьте, хотите - нет, но у нас есть два совершенно разных подхода, чтобы попытаться найти ответ на этот вопрос.

Подход No1: грубая сила

Если вы хотите открыть что-то до сих пор неизвестное во Вселенной, один из подходов - просто исследовать это более экстремальным способом, чем когда-либо прежде. Планируется: построить телескоп, чтобы видеть дальше во времени или с более высоким разрешением, чем когда-либо прежде; построить ускоритель частиц, способный сталкивать частицы с более высокими энергиями, чем когда-либо прежде, или разработать аппарат для охлаждения материи ближе к абсолютному нулю, чем когда-либо прежде.

Все это примеры применения подхода "грубой силы". Исследуйте Вселенную в более экстремальных условиях, чем вы когда-либо исследовали раньше, и это может открыть что-то шокирующее, удивительное и захватывающее. Это вариант, который мы всегда должны изучать, когда дело касается Вселенной, поскольку наши текущие ограничения по всем этим параметрам определяются только совокупными ограничениями наших технологий на тот момент, когда мы решили сделать крупные инвестиции на этих фронтах.

Благодаря усовершенствованным технологиям и возможности заново инвестировать в эти (и подобные) подходы мы можем постоянно расширять границы человеческих знаний на всех важных границах. В науке мы говорим о преодолении наших прежних ограничений с точки зрения открытия нового "пространства открытий", и иногда - например, когда мы взломали атомное ядро в 20 веке - именно здесь появляются новые фундаментальные открытия.

Подход No2: Высокая точность

С другой стороны, вы можете признать, что наши теории дают очень точные предсказания, и что, если мы сможем проводить измерения с той же высокой точностью, мы сможем увидеть, есть ли какие-либо отклонения от предсказаний, которые подтверждаются экспериментами и наблюдениями. Это можно делать разными способами, в том числе изучая все большее число частиц, столкновений или событий. По сути, каждый раз, когда вы пытаетесь увеличить отношение сигнал/шум того, что вы пытаетесь измерить, будь то с помощью статистики, усовершенствованных экспериментальных процедур или устранения известных источников ошибок, вы можете повысить точность исследования Вселенной.

Именно эти высокоточные подходы во многом являются наиболее многообещающими для обнаружения новой силы: если вы видите эффект - даже в 10-м или 12-м десятичном знаке - который не согласуется с вашими теоретическими предсказаниями, это может быть намеком на то, что в игре задействована новая сила или взаимодействие.

Точность, с которой масса W-бозона была измерена коллаборацией CDF с использованием старых данных TeVatron, указывает на беспрецедентное несоответствие между предсказаниями Стандартной модели и тем, что мы наблюдали. С точки зрения экспериментальной физики элементарных частиц это могло бы быть лучшим доказательством существования физики за пределами Стандартной модели, но это также могло быть и ложным результатом. В любом случае детекторы CMS и ATLAS на БАК должны либо подтвердить, либо опровергнуть эти выводы.

Главное - искать то, что мы называем "аномалиями" или местами, где теория и эксперимент расходятся. В 2015 году эксперимент по ядерной физике дал результаты, которые, казалось, противоречат очень конкретным предсказаниям о том, что должно произойти, когда нестабильное ядро бериллия-8 создается в возбужденном состоянии. Теоретически бериллий-8 распадается на два ядра гелия-4. В возбужденном состоянии он должен распасться на фотон и два ядра гелия-4. И при достижении определенной энергии фотона должен быть шанс, что вместо фотона и двух ядер гелия-4 вы получите пару электрон-позитрон и два ядра гелия-4.

Эксперимент 2015 года, проведенный Аттилой Краснахоркаем, обнаружил небольшое, но значимое превышение количества событий, когда электрон и позитрон улетали под большими углами относительно друг друга: около 140 градусов и больше. Это стало известно как аномалия Атомки, и многие предположили, что новая частица и новое фундаментальное взаимодействие (или пятая сила) могут быть ключевым объяснением этих результатов.

Но этому результату есть не только множество возможных объяснений, но и самое простое, возможно, самое отрезвляющее: где-то на этом пути произошла ошибка. В принципе, это может означать: ошибка в сделанных теоретических расчетах, погрешность измерения в любой точке пути, или экспериментальная ошибка, связанная с постановкой эксперимента и способом его проведения.

В данном конкретном случае рассматриваемая группа ранее уже представила три результата, каждый из которых утверждал, что открыта пятая сила, но ни один из результатов не подтвердился.

Возможно, еще существует пятая фундаментальная сила, и она может скрываться в любом месте, где данные тем или иным образом нас удивили. Однако нам следует быть очень осторожными, чтобы не сделать (почти наверняка) неверных выводов, основанных на предварительных данных. Многие все еще надеются, что темная энергия окажется чем-то иным, чем космологическая константа, что означает, что она все еще может быть пятой фундаментальной силой природы, но все наблюдения не показывают никаких отклонений от скучной старой космологической константы, предсказанной Эйнштейном более ста лет. назад. Но вы должны помнить, что любое подобное утверждение должно выдержать проверку.

Многие надеялись, что доказательства существования темной материи, полученные в результате сотрудничества DAMA/LIBRA, подтвердятся, но это оказалась некачественная методология, которая привела к сомнительным результатам. Многие надеялись, что универсальность лептонов будет нарушена, но сотрудничество с LHCb, возможно, к их собственному удивлению, в итоге подтвердило Стандартную модель. Но очень важно, чтобы мы правильно поняли науку, иначе мы будем кричать "волки" на свой страх и риск: просто потому, что мы вскрикнули