рекомендации

среда, 8 января 2020 г.

Фактор X17: новая частица может раскрыть тайну темной материи



Группа ученых в Венгрии недавно опубликовала статью, в которой намекает на существование ранее неизвестной субатомной частицы. Команда впервые сообщила об обнаружении следов частицы в 2016 году, и теперь они сообщают о большем количестве следов в другом эксперименте.


Если результаты подтвердятся, так называемая частица X17 может помочь объяснить темную материю, таинственное вещество, которое составляет более 80% массы во Вселенной. Оно может быть носителем «пятой силы», выходящей за пределы четырех, учитываемых в стандартной модели физики (гравитация, электромагнетизм, слабое и сильное ядерные взаимодействия).

Разбивая атомы

Большинство исследователей, которые охотятся за новыми частицами, используют огромные ускорители, которые с большой скоростью сталкивают субатомные частицы и смотрят на то, что получается в результате взрыва. Самый большой из этих ускорителей - Большой адронный коллайдер в Европе, где в 2012 году был обнаружен бозон Хиггса, за которым ученые охотились десятилетиями.

Attila J. Krasznahorkay и его коллеги из ATOMKI (Институт ядерных исследований в Дебрецене, Венгрия) выбрали другой подход, проводя меньшие эксперименты, которые сталкивают субатомные частицы, называемые протонами, с ядрами различных атомов.

В 2016 году они изучали пары электронов и позитронов, образовавшихся, когда ядра бериллия-8 перешли из состояния с высокой энергией в состояние с более низкой энергией.

Они обнаружили отклонение от того, что они ожидали увидеть, между электронами и позитронами был слишком большой угол. Эту аномалию лучше всего объяснить, если ядро ​​испустило неизвестную частицу, которая позже «раскололась» на электрон и позитрон.

Эта частица должна быть бозоном, который является частицей - переносчиком взаимодействия, и ее масса должна была составлять около 17 миллионов электрон-вольт. Это примерно 34 массы электрона, что довольно мало для такой частицы (например, бозон Хиггса тяжелее в 10 000 раз).

Из-за своей массы Krasznahorkay и его команда назвали гипотетическую частицу X17. Теперь они наблюдали странное поведение в ядрах гелия-4, которое также можно объяснить присутствием X17.

Эта последняя аномалия является статистически значимой - уровень достоверности семь сигм, что означает, что существует лишь очень малая вероятность того, что результат получился случайно. Это значительно превосходит обычный стандарт на пять сигм для нового открытия, поэтому результат, похоже, подсказывает, что здесь есть какая-то новая физика.

Проверка и перепроверка

Однако новая информация и информация 2016 года были встречены скептицизмом со стороны сообщества физиков -  скептицизма, которого не было, когда две команды одновременно объявили об открытии бозона Хиггса в 2012 году.

Так почему же физикам так трудно поверить, что новый легкий бозон может существовать?


Новое исследование возглавляет Attila J. Krasznahorkay (справа). 

Во-первых, эксперименты такого рода сложны, как и анализ данных. Сигналы могут появляться и исчезать. Например, еще в 2004 году группа в Дебрецене нашла доказательства, которые они интерпретировали как возможное существование еще более легкого бозона, но когда они повторили эксперимент, сигнал пропал.

Во-вторых, нужно убедиться, что само существование X17 совместимо с результатами других экспериментов. В этом случае и результат 2016 года с бериллием, и новый результат с гелием можно объяснить существованием X17, но все еще необходима проверка от независимой группы.

Krasznahorkay и его группа впервые сообщили о слабых доказательствах (на уровне трех сигм) существования нового бозона в 2012 году на семинаре в Италии.

С тех пор команда повторила эксперимент с использованием модернизированного оборудования и успешно воспроизвела результаты по бериллию-8, что является обнадеживающим, а также новые результаты по гелию-4. Эти новые результаты были представлены на симпозиуме HIAS 2019 в Австралийском национальном университете в Канберре.

Какое это имеет отношение к темной материи?

Ученые считают, что большая часть материи во вселенной невидима для нас. Так называемая темная материя очень слабо взаимодействует с нормальной материей. Мы можем сделать вывод о том, что она существует, благодаря гравитационному воздействию на далекие звезды и галактики, но она никогда не была обнаружена в лаборатории.

Так откуда же взялась частица X17?

В 2003 году один из нас (Бём) в соавторстве с Пьером Файе показал, что такая частица, как X17, может существовать. Он будет переносить взаимодействие между частицами темной материи во многом так же, как фотоны для обычной материи.

В одном из предложенных мною сценариев легкие частицы темной материи могут иногда образовывать пары электронов и позитронов способом, подобным тому, что видела команда Krasznahorkay.

Этот сценарий привел ко многим исследованиям в низкоэнергетических экспериментах, которые исключили много возможностей. Тем не менее, X17 еще не была исключена, и в этом случае группа Дебрецена действительно могла бы обнаружить, как частицы темной материи взаимодействуют с нашим миром.

Требуется больше доказательств

Хотя результаты из Дебрецена очень интересны, физическое сообщество не будет убеждено, что новая частица действительно была найдена, пока нет независимого подтверждения.

Таким образом, мы можем ожидать многих экспериментов по всему миру, в которых ищут новый легкий бозон, чтобы начать поиск доказательств существования X17 и ее взаимодействия с парами электронов и позитронов.

Если подтверждение будет получено, следующим открытием могут стать сами частицы темной материи.

Комментариев нет:

Отправить комментарий