Физики не нашли "кирпичиков" внутри кварков: новые результаты эксперимента на БАК
Когда‑то граница "неделимого" проходила на уровне атомов. Затем выяснилось, что атом можно дробить на ядро и электроны, ядро - на протоны и нейтроны, а их, в свою очередь, - на кварки. Сегодня именно кварки считаются одними из фундаментальных, то есть не имеющих внутреннего устройства, частиц. Однако часть физиков уже давно подозревает: возможно, и они состоят из еще более мелких элементов.
Свежий анализ данных с Большого адронного коллайдера (БАК) серьезно ослабил такие подозрения. Коллаборация CMS изучила структуру кварков на беспрецедентно малых расстояниях - до масштабов порядка 10⁻²⁰ метра - и не обнаружила никаких признаков того, что кварк может быть составным объектом.
Можно ли "разобрать" кварк на детали?
Кварки входят в состав протонов и нейтронов и вместе с лептонами (электронами, нейтрино и их "старшими собратьями") образуют семейство частиц, которое Стандартная модель описывает как фундаментальное. Это означает, что в рамках теории у них нет внутренней структуры: они точечны и неделимы.
Однако история физики учит: почти каждый раз, когда что‑то объявляли "последней неделимой частицей", через некоторое время появлялась новая теория и новые эксперименты, которые разрушали уверенность. Поэтому уже несколько десятилетий развиваются модели так называемой композитности - гипотезы о том, что кварки и лептоны могут состоять из еще более базовых объектов (их иногда называют "преонами").
Если такая внутренная структура существует, она должна проявляться в экспериментах:
- в виде отклонений от предсказаний Стандартной модели;
- в появлении новых резонансов или неожиданных продуктов столкновений;
- в тонких изменениях в том, как частицы рассеиваются при больших энергиях.
Именно такие отклонения и искали физики, анализируя данные CMS.
Как БАК позволяет "заглянуть" внутрь частиц
Большой адронный коллайдер - это гигантская машина, которая разгоняет протоны до околосветовых скоростей и сталкивает их лоб в лоб. При таких энергиях внутри протонов "просыпаются" их элементарные составляющие - кварки и глюоны.
Детектор CMS (Компактный мюонный соленоид) фиксирует все, что происходит после столкновения:
- траектории разлетевшихся частиц;
- их энергии и импульсы;
- типы частиц в каждом "струе" (джете) продуктов распада.
Когда два протона сталкиваются, взаимодействуют в первую очередь не сами протоны, а входящие в их состав кварки и глюоны. В результате рождаются новые частицы, а исходные кварки разлетаются и порождают два мощных потока частиц - джета. Именно анализ этих джетов позволяет судить о том, как вели себя кварки в момент столкновения.
Угол рассеяния как "рентген" для кварка
Ключевая величина, на которую смотрели исследователи, - распределение углов рассеяния кварков. Грубо говоря, это статистика того, под какими углами разлетаются кварки (а значит и джеты) после высокоэнергетического взаимодействия.
Если кварки действительно фундаментальны и ведут себя так, как предсказывает Стандартная модель, форма этого распределения должна строго соответствовать расчетам. Если же внутри кварка есть более мелкие объекты, на очень высоких энергиях взаимодействия начнут "ощупывать" их внутреннюю структуру. Тогда:
- углы рассеяния начнут отклоняться от расчетных;
- вероятность некоторых типов столкновений изменится;
- можно будет заметить систематические расхождения между экспериментом и моделью именно при самых больших энергиях.
Физики CMS как раз и сравнивали измеренное распределение углов с тем, что дает теория без какой‑либо композитности.
Что именно удалось измерить
Анализ велся на масштабах порядка 10⁻²⁰ метра - это на несколько порядков меньше диаметра протона и существенно глубже, чем любые предыдущие лабораторные "заглядывания" в структуру материи. Такой эффективный "микроскоп" обеспечивается огромной энергией столкновений на БАК: чем выше энергия, тем меньшие расстояния становятся доступными исследованию.
На этих расстояниях исследователи не нашли:
- дополнительных структур в распределении продуктов распада;
- признаков новых сил или частиц, которые вмешивались бы во взаимодействие кварков;
- каких‑либо устойчивых отклонений от предсказаний Стандартной модели.
Иначе говоря, поведение кварков полностью укладывалось в модель точечных, неделимых частиц.
Что это значит для теорий о "преонах"
Отсутствие следов композитности не доказывает окончательно, что кварки фундаментальны. Но оно резко сужает пространство для альтернативных теорий:
- Модели, в которых предполагалось, что внутренняя структура проявится уже на масштабе порядка 10⁻²⁰ метра, теперь практически исключены.
- Граница, на которой может скрываться возможная "подструктура", сдвигается к еще меньшим расстояниям и, соответственно, к еще более высоким энергиям.
- Новые элементы теории должны быть либо намного тяжелее, чем предполагалось, либо взаимодействовать значительно слабее, чтобы эксперимент не заметил их эффектов.
Для теоретиков это жесткое, но полезное ограничение: оно отсекает целый пласт некорректных моделей и помогает сосредоточиться на тех сценариях, которые еще совместимы с данными.
Почему ученые продолжают "ломать" фундаментальные частицы
На первый взгляд может показаться странным: если Стандартная модель прекрасно описывает кварки как точечные частицы, зачем упорно искать у них внутреннюю структуру? Причин несколько.
1. Стандартная модель неполна. Она не объясняет природу темной материи, не включает гравитацию, не отвечает на вопрос, почему массы частиц именно такие, а не другие. Композитность кварков и лептонов в принципе могла бы дать ключ к некоторым из этих загадок.
2. Исторический опыт. Почти каждое "фундаментальное" объяснение прошлого оказывалось приближенным. Идея о возможной иерархии уровней материи - от молекул к атомам, от атомов к ядрам, от ядер к нуклонам, от нуклонов к кваркам - подталкивает искать следующий уровень.
3. Энергии БАК - уникальны. Пока машина работает, физики стараются максимально использовать ее потенциал, проверяя не только главные, но и самые смелые гипотезы. Каждый отрицательный результат - тоже важный шаг к пониманию того, как устроена Вселенная.
Ограничения эксперимента: что мы пока не можем увидеть
Даже столь глубокое исследование не делает выводы абсолютно окончательными. Есть несколько принципиальных ограничений:
- Любое измерение основано на конечной статистике событий. Теоретически крайне редкие эффекты могли ускользнуть от детекторов.
- Внутренняя структура, если она существует, может проявляться не в углах рассеяния, а, например, в других типах процессов или при еще больших энергиях, чем доступны сегодня.
- Существуют экзотические сценарии, в которых новые компоненты устроены так, чтобы их влияние было максимально "маскированным" и почти не проявлялось в текущих измерениях.
Поэтому речь идет не о "окончательном приговоре" идее композитности, а о перемещении планки: теперь любая новая теория должна быть согласована с тем фактом, что на масштабах 10⁻²⁰ м кварки ведут себя как точечные.
Что дальше: новые энергии и новые детекторы
Результаты CMS - это лишь часть большой программы исследований структуры материи на БАК. В ближайшие годы коллайдер будет проходить этапы модернизации, что позволит:
- увеличить светимость, то есть число регистрируемых столкновений;
- собрать гораздо более крупную статистику редких событий;
- более точно измерять характеристики джетов и других продуктов распада.
Это даст шанс:
- еще сильнее сузить возможные проявления композитности;
- или, напротив, уловить слабые эффекты, которые сейчас едва "прячутся" в статистическом шуме.
Кроме того, обсуждаются проекты будущих коллайдеров с энергией, значительно превосходящей возможности БАК. Если они будут построены, человечество получит еще более "мощный микроскоп", способный исследовать масштабы, которые сегодня недоступны ни в одном эксперименте.
Косвенные последствия для физики и технологий
Хотя тема кажется сугубо фундаментальной, подобные исследования влияют не только на теоретиков. Работа коллайдера и детекторов требует прорывов в ряде областей:
- сверхпроводящих магнитах и криогенной технике;
- системах обработки и хранения огромных массивов данных;
- быстрых электронах и алгоритмах анализа событий;
- моделировании сложных физических процессов.
Многие из этих технологий затем находят применение в медицине, материаловедении, вычислительной технике и других сферах. Поэтому даже если кварки в итоге окажутся действительно неделимыми, путь их исследования уже сейчас приносит обществу ощутимые побочные выгоды.
Вывод: кварки остаются фундаментальными - по крайней мере, пока
По совокупности новых данных с детектора CMS кварки на масштабах до 10⁻²⁰ метра выглядят как действительно фундаментальные частицы без внутренней структуры. Распределение углов их рассеяния в высокоэнергетических столкновениях строго следует предсказаниям Стандартной модели, а значит, никаких видимых следов гипотетических "кирпичиков" внутри кварков не обнаружено.
Однако в науке отсутствие обнаружения не равняется доказательству невозможности. Это значит лишь, что граница поиска следующего уровня материи снова сдвинулась - теперь еще глубже, к масштабам и энергиям, которые пока остаются за пределами наших экспериментальных возможностей.
