От няколко седмици физиците по цял свят са особено развълнувани. Два експеримента, проведени независимо един от друг и на практика различни, доведоха до сходен резултат - нещо не е наред в разбирането ни за Вселената.
Нормално е да допуснем, че ако физиците откриват нещо нередно, вероятно ситуацията е доста сериозна.
Не само няма нищо тревожно в експериментите, а дори, че физиците са щастливи и въодушевени от резултатите. И нямат търпение следващите им опити да потвърдят новите засега открития.
Това обясни доц. Венелин Кожухаров, български физик, ръководител на катедра във Физическия факултет на Софийския университет.
През март и в началото на април два мащабни научни експеримента в ЦЕРН и в лаборатория Фермилаб в САЩ наблюдаваха, че елементарните частици не се държат точно така, както се очаква от тях.
Очакванията са изложени в Стандартния модел, който физиците използват, за да описват и разбират как функционира Вселената на субатомно ниво.
"Всъщност Стандартният модел описва едва пет на сто от съдържанието на Вселената", казва доц. Кожухаров.
"Ние знаем, че Стандартният модел не е всичко, всъщност целта на физиката на елементарните частици е да докаже има ли процеси, които той не обяснява", пояснява физикът.
Стандартният модел е най-добре изследваната теория във физиката и е проверена с точност до 12-13 знака след десетичната запетая. Затова за физиците би било тъжно, ако тази теория всъщност е краят на физиката на елементарните частици. Истинският смисъл и цел за тях е да надзърнат отвъд описаните 5 процента от Вселената.
От думите на българския учен става ясно, че Стандартният модел - основната теория във физиката на елементарните частици, не само че не е сгрешен, но и няма да се налага пренаписване на учебниците. Новите експерименти всъщност дават надежда, че той най-сетне ще бъде дописан, близо петдесет години по-късно.
И все пак, защо "красивите кварки", изследвани в ЦЕРН, както и мюоните, наблюдавани във Фермилаб, се държат различно от очакваното?
"Мюоните са една от 12-те фундаментални частици в света около нас", обяснява доц. Кожухаров. Такива са и бе-кварките, които някои наричат "красиви", а други "дънни". Всъщност определенията за тях идват от първата буква в английското им название - beautiful и bottom, за да се подчертае "b".
Самото название на този тип елементарна частица има любопитен произход. В началото на 60-те години на миналия век американският физик Мъри Гел-Ман я нарича "кварк", когато описва строежа на адроните. Той заема думата "кварк" от романа на Джеймс Джойс "Бдението на Финеган", където героят чува в съня си странната фраза "Три кварка за мистър Марк".
Експериментът във Фермилаб с мюоните потвърждава резултатите от подобен опит преди 15 години в лабораторията в Брукхейвън, САЩ. И двата експеримента се фокусират върху магнитния момент на мюона, който може да се разглежда като един малко по-тежък брат на електрона, казва българският физик.
Магнитният момент е най-добре описаната величина във физиката, добавя той. Той е свързан и със силата на привличане и отблъскване на електроните с другите частици, притежаващи електричен заряд.
"Очаквахме, че мюоните и електроните имат сходни взаимодействия и магнитни моменти. Но експериментите в американските лаборатории показаха, че стойностите им не съвпадат с очакванията", казва Кожухаров.
Той подчертава, че разликите между теорията и експеримента надвишават три пъти точността на измерванията, а във физиката за откритие се смята отклонение от поне пет пъти. Но от особено значение е не толкова разликата, а изключително високата точност на измерванията в експериментите - едно на един милиард, казва физикът. Това е знак колко дълбоко е достигнало познанието ни, това са свръхточни и прецизни опити, добавя той.
Връщайки се на същината на откритието, той дава възможните отговори на въпроса какво означава установеното във "Фермилаб".
Едната възможност е да има неизвестни досега частици, които да влияят, а другата - нови, неизследвани взаимодействия. Взаимодействията във физиката са четири.
Първото е гравитационно, с което физиката на елементарните частици все още не се занимава. Електромагнитното взаимодействие е друго фундаментално взаимодействие във физиката, което възниква между частици с електрически заряд и то се проявява в светлината, в електричеството, в магнетизма.
Другите две взаимодействия са силното - за задържането на протоните и неутроните в ядрата и слабото взаимодействие, припомня доц. Кожухаров.
Интензивността на всяко конкретно взаимодействие е еднаква за всички елементарни частици, допълва той. Така се обяснява и значимостта на резултатите от експериментите във Фермилаб и лабораторията в Брукхейвън.
"Ако досега говорехме за универсалност на взаимодействията на електроните и мюоните, то днес имаме указания, че или има нови частици, или - нови взаимодействия", обяснява физикът.
При експеримента LHCb в големия адронен колайдер в ЦЕРН, Швейцария, е наблюдаван разпад на частици, съдържащи "красиви кварки", до електрони или мюони.
Но в ЦЕРН също се наблюдава разлика с очакваните според Стандартния модела стойности, което отново навежда учените на хипотезата, че регистрират наличие или на нова частица, или на ново взаимодействие.
Самият Кожухаров от няколко години се е посветил на търсене на нови елементарни частици. Заедно с италианския си колега Мауро Раджи и учени от България и Италия те работят по проекта "ПАДМЕ" в ядрената лаборатория във Фраскати, Италия.
Целта им е да установят дали тъмният фотон - форма на тъмната материя, може да е причина за разликата в магнитния момент на мюона. Това ще е възможно, ако има ново, пето фундаментално взаимодействие, различно от четирите, за които знаем, пояснява българският учен.
Негов преносител би бил именно тъмният фотон и ако масата му е до 40 пъти повече от тази на електрона, има шанс той да бъде наблюдаван от експеримента ПАДМЕ.
Един от големите успехи на научния екип по проекта, чието име съдържа препратки към Падме Амидала от "Междузвездни войни" и названието на пъпката на лотуса, е фактът, че през последната година на пандемия и съпъстващите я ограничения, са успели да съберат множество данни.
Това става възможно благодарение на студенти и докторанти на доц. Кожухаров от Софийския университет, които конструират и изпълняват система за отдалечено наблюдение на потока данни и за контрол на детектора.
Друг пробив на международния научен екип на ПАДМЕ е използването на диамант, в който да се сблъскват електрони и позитрони. "Започваме да виждаме светлина в тунела, водещ отвъд нашия Стандартен модел", обобщава доц.
Нормално е да допуснем, че ако физиците откриват нещо нередно, вероятно ситуацията е доста сериозна.
Не само няма нищо тревожно в експериментите, а дори, че физиците са щастливи и въодушевени от резултатите. И нямат търпение следващите им опити да потвърдят новите засега открития.
Това обясни доц. Венелин Кожухаров, български физик, ръководител на катедра във Физическия факултет на Софийския университет.
През март и в началото на април два мащабни научни експеримента в ЦЕРН и в лаборатория Фермилаб в САЩ наблюдаваха, че елементарните частици не се държат точно така, както се очаква от тях.
Очакванията са изложени в Стандартния модел, който физиците използват, за да описват и разбират как функционира Вселената на субатомно ниво.
"Всъщност Стандартният модел описва едва пет на сто от съдържанието на Вселената", казва доц. Кожухаров.
"Ние знаем, че Стандартният модел не е всичко, всъщност целта на физиката на елементарните частици е да докаже има ли процеси, които той не обяснява", пояснява физикът.
Стандартният модел е най-добре изследваната теория във физиката и е проверена с точност до 12-13 знака след десетичната запетая. Затова за физиците би било тъжно, ако тази теория всъщност е краят на физиката на елементарните частици. Истинският смисъл и цел за тях е да надзърнат отвъд описаните 5 процента от Вселената.
От думите на българския учен става ясно, че Стандартният модел - основната теория във физиката на елементарните частици, не само че не е сгрешен, но и няма да се налага пренаписване на учебниците. Новите експерименти всъщност дават надежда, че той най-сетне ще бъде дописан, близо петдесет години по-късно.
И все пак, защо "красивите кварки", изследвани в ЦЕРН, както и мюоните, наблюдавани във Фермилаб, се държат различно от очакваното?
"Мюоните са една от 12-те фундаментални частици в света около нас", обяснява доц. Кожухаров. Такива са и бе-кварките, които някои наричат "красиви", а други "дънни". Всъщност определенията за тях идват от първата буква в английското им название - beautiful и bottom, за да се подчертае "b".
Самото название на този тип елементарна частица има любопитен произход. В началото на 60-те години на миналия век американският физик Мъри Гел-Ман я нарича "кварк", когато описва строежа на адроните. Той заема думата "кварк" от романа на Джеймс Джойс "Бдението на Финеган", където героят чува в съня си странната фраза "Три кварка за мистър Марк".
Експериментът във Фермилаб с мюоните потвърждава резултатите от подобен опит преди 15 години в лабораторията в Брукхейвън, САЩ. И двата експеримента се фокусират върху магнитния момент на мюона, който може да се разглежда като един малко по-тежък брат на електрона, казва българският физик.
Магнитният момент е най-добре описаната величина във физиката, добавя той. Той е свързан и със силата на привличане и отблъскване на електроните с другите частици, притежаващи електричен заряд.
"Очаквахме, че мюоните и електроните имат сходни взаимодействия и магнитни моменти. Но експериментите в американските лаборатории показаха, че стойностите им не съвпадат с очакванията", казва Кожухаров.
Той подчертава, че разликите между теорията и експеримента надвишават три пъти точността на измерванията, а във физиката за откритие се смята отклонение от поне пет пъти. Но от особено значение е не толкова разликата, а изключително високата точност на измерванията в експериментите - едно на един милиард, казва физикът. Това е знак колко дълбоко е достигнало познанието ни, това са свръхточни и прецизни опити, добавя той.
Връщайки се на същината на откритието, той дава възможните отговори на въпроса какво означава установеното във "Фермилаб".
Едната възможност е да има неизвестни досега частици, които да влияят, а другата - нови, неизследвани взаимодействия. Взаимодействията във физиката са четири.
Първото е гравитационно, с което физиката на елементарните частици все още не се занимава. Електромагнитното взаимодействие е друго фундаментално взаимодействие във физиката, което възниква между частици с електрически заряд и то се проявява в светлината, в електричеството, в магнетизма.
Другите две взаимодействия са силното - за задържането на протоните и неутроните в ядрата и слабото взаимодействие, припомня доц. Кожухаров.
Интензивността на всяко конкретно взаимодействие е еднаква за всички елементарни частици, допълва той. Така се обяснява и значимостта на резултатите от експериментите във Фермилаб и лабораторията в Брукхейвън.
"Ако досега говорехме за универсалност на взаимодействията на електроните и мюоните, то днес имаме указания, че или има нови частици, или - нови взаимодействия", обяснява физикът.
При експеримента LHCb в големия адронен колайдер в ЦЕРН, Швейцария, е наблюдаван разпад на частици, съдържащи "красиви кварки", до електрони или мюони.
Но в ЦЕРН също се наблюдава разлика с очакваните според Стандартния модела стойности, което отново навежда учените на хипотезата, че регистрират наличие или на нова частица, или на ново взаимодействие.
Самият Кожухаров от няколко години се е посветил на търсене на нови елементарни частици. Заедно с италианския си колега Мауро Раджи и учени от България и Италия те работят по проекта "ПАДМЕ" в ядрената лаборатория във Фраскати, Италия.
Целта им е да установят дали тъмният фотон - форма на тъмната материя, може да е причина за разликата в магнитния момент на мюона. Това ще е възможно, ако има ново, пето фундаментално взаимодействие, различно от четирите, за които знаем, пояснява българският учен.
Негов преносител би бил именно тъмният фотон и ако масата му е до 40 пъти повече от тази на електрона, има шанс той да бъде наблюдаван от експеримента ПАДМЕ.
Един от големите успехи на научния екип по проекта, чието име съдържа препратки към Падме Амидала от "Междузвездни войни" и названието на пъпката на лотуса, е фактът, че през последната година на пандемия и съпъстващите я ограничения, са успели да съберат множество данни.
Това става възможно благодарение на студенти и докторанти на доц. Кожухаров от Софийския университет, които конструират и изпълняват система за отдалечено наблюдение на потока данни и за контрол на детектора.
Друг пробив на международния научен екип на ПАДМЕ е използването на диамант, в който да се сблъскват електрони и позитрони. "Започваме да виждаме светлина в тунела, водещ отвъд нашия Стандартен модел", обобщава доц.
