Венгерские физики, возможно, открыли пятое фундаментальное взаимодействие
Пятое фундаментальное взаимодействие во Вселенной, возможно, открыто венгерскими физиками. Физики спорят, идет ли речь о научном прорыве, и мечтают проверить это на других экспериментах
«Венгерская физическая лаборатория обнаружила пятую силу природы?» — с таким заманчивым заголовком в четверг появился материал в авторитетном научном журнале Nature. Речь идет об открытии, которое, возможно, сделали венгерские физики из Института ядерных исследований Венгерской академии наук. В настоящее время науке известно четыре фундаментальных взаимодействия, которые, как считается, могут описывать все известные процессы во Вселенной.
К ним относится гравитация, которую проявляют по отношению друг к другу все материальные тела, и три взаимодействия, описываемые так называемой Стандартной моделью: электромагнитное, слабое и сильное.
Впрочем, Стандартная модель является феноменологической, то есть не основанной ни на какой глубокой теории, которая лежит в ее основе, и потому не запрещает обнаружение с ростом научных знаний ни новых частиц, ни новых взаимодействий. Поэтому в программах большинства крупных экспериментов в области физики частиц ученые давно ведут поиски и пятого фундаментального взаимодействия — отклонений от предсказаний Стандартной модели.
В последние лет десять поиски нового взаимодействия возобновились с новой силой из-за неспособности Стандартной модели объяснить феномен темной материи – загадочной субстанции, составляющей более 80% Вселенной. На роль носителей темной материи теоретики предлагали множество экзотических частиц, например, темных фотонов по аналогии с обычными фотонами — переносчиков электромагнитного взаимодействия.
Венгерские ученые под руководством Аттилы Краснахоркаи в своих экспериментах на 5-мегавольтном ускорителе Ван де Граафа как раз и были заняты поиском темных фотонов, однако обнаружили нечто совсем другое. В ходе экспериментов они бомбардировали низкоэнергичными протонами мишень из лития-7, в результате чего образовывались ядра бериллия-8. Это ядро находится в возбужденном состоянии и быстро переходит в основное состояние, излучая энергию. Обычно излучается просто фотон, однако примерно каждый тысячный раз этот гамма-квант внутри самого ядра бериллия превращается в пару электрон-позитрон.
Поскольку масса фотона близка к нулю, электрон и позитрон, вылетая из ядра, должны лететь почти в одном направлении, то есть угол между их траекториями в лабораторной системе отсчета должен быть близок к нулю.
В этом распределении, как говорят физики, есть «хвост» — то есть, чем больше угол разлета, тем меньше вероятность встретить такую пару частиц. Однако так утверждает теория. Эксперимент же показал,
что при угле разлета в 140 градусов наблюдается локальный пик вероятности, которого быть не должно.
Авторы эксперимента интерпретировали это как проявление новых частиц, испускаемых ядром бериллия, которые затем распадаются на электрон-позитронную пару. Расчеты показали, что масса этой частицы должна равняться 17 МэВ. «Мы уверены в результатах нашего эксперимента», — говорит Краснахоркаи, добавляя, что эксперимент показывал эти результаты в течение трех лет. В апреле 2015 года венгры выложили свою работу в архив электронных препринтов, а уже в апреле 2016 года американские теоретики под руководством Джонатана Фэна из Калифорнийского университета в Ирвине опубликовали статью, в которой заявили, что результаты венгерских физиков не противоречат прошлым экспериментам и являются открытием
— ни много ни мало – проявления пятого фундаментального взаимодействия.
Спустя несколько дней вопрос об этом поднимался на рабочей встрече в Национальной ускорительной лаборатории SLAC в США, предположение об открытии пятой силы нашло как сторонников, так и скептиков. Они сошлись в одном – гипотезу можно и нужно проверять в грядущих экспериментах.
По словам Фэна, поддержавшего идею о пятом взаимодействии, его группа проверяет другие возможные частицы, которые могли бы объяснить аномалию. «Но протофобный бозон – самое очевидное объяснение», — считает он.
Cкептически отнесся к открытию специалист в области элементарных частиц, ведущий сотрудник Института проблем передачи информации РАН доктор физ-мат наук Андрей Ростовцев.
«На графике видно, что отклонения наблюдаются только при двух значения энергии падающих протонов, при других показателях энергии этого нет, — пояснил физик «Газете.Ru». — Немного поменяли энергию протонов – и «всплеск» исчез. Обычно такое бывает, когда возникают определенные экспериментальные сложности. Ведь бериллий он и в Африке бериллий, и не важно, при какой энергии он получен».
Ученый отметил, что в своей работе авторы открытия не пытаются объяснить, почему эффект появляется лишь при определенной энергии бомбардировки.
Кроме того, время жизни предполагаемой новой частицы, которую уже прозвали «протофобным X-бозоном»? оценивается в 10 -14 секунды, а это довольно много, и странным является то, что в большом числе аналогичных экспериментов она обнаружена не была.
«Я отношусь к этому скептически, но поддерживаю идею, что на это надо посмотреть в текущих крупных экспериментах, например в LHCb на Большом адронном коллайдере», — сказал Ростовцев.
Проверить гипотезу можно будет и на двух других экспериментах по бомбардировке позитронами фиксированной мишени – в Национальной лаборатории Фраскати близ Рима и в Институте ядерной физики имени Будкера Сибирского отделения РАН в Новосибирске.