Проблемы с переносчиком слабых взаимодействий

·

Новые точные измерения, проведенные исследователями из Рочестерского университета (University of Rochester), заставили пошатнуться здание Стандартной модели физики элементарных частиц, верой и правдой служившей ученым на протяжении многих десятилетий. Бен Килминстер (Ben Kilminster) и профессор Кевин Макфарланд (Kevin McFarland) использовали ускоритель частиц в Fermilab (Фермиевской национальной ускорительной лаборатории), чтобы достичь рекордной точности, достаточной для выявления некоторых характеристик распада top-кварка, самой тяжелой из частиц, известных физикам (его масса сравнима с массой атома золота, тяжелее должен быть только бозон Хиггса). Об этой работе сообщается в журнале Physical Review D.

В результате этих новых исследований был сделан обескураживающий вывод: никакой связи между top-кварком и слабым взаимодействием быть не может, и приходится распроститься с очень притягательной идеей, согласно которой близость по величине энергий top-кварка и переносчиков слабых взаимодействий - пары W-бозонов - отнюдь не случайна и top-кварк в этом смысле вовсе не может быть резко выделен среди всех остальных известных частиц. Топ-кварк (иначе говоря, t-кварк, truth, "истинный" кварк) был открыт в 1997 г. Связь между этим кварком и так называемым промежуточным векторным бозоном калибровочного поля означала бы, что top-кварк занимает совершенно особое место в иерархии квантового мира, возможно, как своего рода "прародитель" слабой силы, которая ответственна за основные характеристики всего известного нам вещества.

"Никто еще не проделывал столь точных измерений такого рода. Полученные данные открывают новую страницу в нашем знании устройства Вселенной, - заявил Макфарланд. - Люди отчаянно пытаются понять, почему слабая сила слаба. Ведь в начале существования нашей Вселенной это сила, объединенная с другими взаимодействиями, была ответственна за распространение света; однако теперь световые лучи могут пронзать весь космос, а действие слабых сил ограничивается размерами атома. Мы придумали много теорий, объясняющих этот факт, однако наши результаты дают знать, что многие из этих теорий должны быть попросту забыты".

Согласно стандартной теории электрослабого взаимодействия, созданной в 1960-х гг. Глэшоу, Вайнбергом и Саламом и объединившей слабое и электромагнитное взаимодействия, слабые взаимодействия проявляются путем обмена массивными частицами - промежуточными векторными бозонами W⁺, W^- и Z⁰. При этом W⁺ и W^--бозоны осуществляют взаимодействие заряженных токов, а Z⁰-бозоны - нейтральных.

Чтобы разобраться в критически важной связи между top-кварком и калибровочным W-бозоном, Макфарланд и Килминстер разработали специальную процедуру измерения четности top-кварка. Четность - это свойство квантовых частиц, описывающее, как они действуют, если все направления в пространстве меняются на противоположные (как будто бы мы рассматривали их в зеркале). Вообразите отправленный вашему сопернику теннисный мячик. Вы ожидаете, что мячик, отразившись рикошетом от ракетки противника или от корта, как от зеркала, полетит вспять. Однако не все свойства частицы при "отражении" меняются на противоположные. Так, закрученный вправо теннисный мячик после отражения от ракетки соперника полетит к вам, вращаясь в том же самом прежнем направлении - по часовой стрелке. Физики обнаружили нечто подобное и в микромире. Макфарланд и Килминстер полагали, что если удастся показать, что чрезвычайно тяжелый top-кварк является "левозакрученным", то слабая сила будет вероятнее всего действовать в том же самом направлении.

Измерение хиральности (свойства, наличие которого означает несовместимость объекта со своим отражением в идеальном зеркале) top-кварка с нужной точностью никогда прежде не проводилось, потому как не был придуман способ непосредственного измерения этого параметра top-кварка. Рочестерская группа решила изучить распады top-кварка на менее массивные частицы. Одна из основных функций слабой силы заключается в возможности "разъединять" более тяжелые частицы, подобные top-кварку, на более легкие кварки, из которых состоит почти вся видимая Вселенная. Килминстер разработал программу, которая позволяла выявить события от всех частиц, которые были произведены на свет в результате распада top-кварка, и определить статистическими методами, какой именно top-кварк был тому причиной.

В результате выяснилось, что в большинстве случаев распад top-кварка не обладал ожидаемой симметрией, и таким образом слабая сила проявляет себя в этом случае тем же самым основным способом, что и в случае взаимодействия всех остальных частиц. Теории, основанные на идее, согласно которой top-кварк и слабая сила связаны между собою особыми взаимоотношениями, не подтвердились.

"Тот факт, что top-кварк и W-boson имеют "связанные" массы, теперь скорее всего можно считать простым совпадением, - говорит Макфарланд. - Модели, которые полагаются на эту особую связь, выглядят все более неправдоподобными. Эти теории - отчаянное усилие удержать последние рубежи существенно скомпрометированной Стандартной модели. Если эти теории будут опровергнуты, то мы оказываемся перед необходимостью перейти к разработке принципиально новых моделей Вселенной".