Эксперимент ЦЕРНа сделал первое наблюдение редких событий

Современная физика знает очень много о том, как устроена Вселенная, начиная с большого масштаба галактик и заканчивая бесконечно малыми размерами кварков и глюонов. Тем не менее, ответы на некоторые главные загадки, такие как природа темной материи и происхождение гравитации, остаются вне досягаемости.

Физики Калифорнийского технологического института и их коллеги, используя Большой Адронный Коллайдер (БАК) Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) и его эксперимент с компактным мюонным соленоидом (CMS),  сделали новое наблюдение очень редких событий, которые могли бы помочь вывести физику за пределы ее нынешнего понимания мира.

Новое наблюдение предполагает одновременное образование трех W или Z-бозонов, субатомных «частиц-медиаторов», несущих слабую ядерную силу — одну из четырех известных фундаментальных сил, которая отвечает за явление радиоактивности, а также является важным компонентом термоядерных процессов. Она проявляется на расстояниях, значительно меньших размера атомного ядра.

Бозоны — это класс частиц, который также включают фотоны, образующие свет; бозон Хиггса, который, как считается, отвечает за придание массы веществу; и глюоны, которые связывают ядра вместе.

Бозоны W и Z похожи друг на друга тем, что оба несут слабую силу, но отличаются тем, что Z-бозон не имеет электрического заряда. Существование этих бозонов, наряду с другими субатомными частицами, такими как глюоны и нейтрино, объясняется тем, что известно как стандартная модель физики элементарных частиц.

События, порождающие трио бозонов, происходят, когда интенсивные сгустки высокоэнергетических протонов, которые были ускорены почти до скорости света, вступают в лобовое столкновение в нескольких точках на круговой траектории БАК.

Когда два протона сталкиваются, кварки и глюоны в протонах разделяются, и в результате этого могут возникнуть W-и Z-бозоны; в очень редких случаях они появляются в виде триплетов: WWW, WWZ, WZZ и ZZZ.

Такие триплеты W-и Z-бозонов, образуются только в одном из 10 триллионов протон-протонных столкновений. Эти события записываются с помощью CMS, которая окружает одну из точек столкновения вдоль траектории БАК. Ученые говорят, что эти события происходят в 50 раз реже, чем те, которые использовались для открытия бозона Хиггса.

«С БАКом, создающим огромное количество столкновений, мы можем видеть вещи, которые очень редки, например, производство этих бозонов», — говорят физики.

Возможно, что W-и Z-бозоны самосопряжаются, позволяя W-и Z-бозонам создавать еще больше W-и Z-бозонов; они могут проявляться как события с двумя или тремя массивными бозонами.

Создание этих бозонов не было конкретной целью эксперимента. Собрав достаточное количество данных, включая множество событий с бозонными триплетами и другие редкие события, исследователи смогут проверить предсказания Стандартной модели с возрастающей точностью и, возможно, в конечном итоге найдут и смогут изучить новые взаимодействия, лежащие за ее пределами.

— Мы знаем из наблюдений за вращением и распределением галактик, что темная материя должна оказывать свое гравитационное влияние, но темная материя не вписывается в Стандартную модель.

— В ней нет места темным частицам, она не включает в себя гравитацию, и она просто не работает на энергетических масштабах, типичных для ранней Вселенной в первые моменты после Большого Взрыва. Мы знаем, что существует более фундаментальная теория, чем стандартная модель, которую еще предстоит открыть» — говорят ученые.

Следующий трехлетний экспериментальный запуск, запланированный на 2021-24 годы, уже готовится.

В конце этого цикла оборудование будет модернизировано, чтобы увеличить его емкость для сбора данных в 30 раз.

«Здесь очень много нереализованного потенциала. Масса данных, которые мы уже собрали, по-прежнему составляет лишь несколько процентов от того, что мы ожидаем собрать после крупных модернизаций как CMS, так и БАК».

«Observation of heavy triboson production in leptonic final states in proton-proton collisions at √s = 13 TeV,»  cds.cern.ch/record/2714899 .