Эксперимент LHCb, проводимый в CERN, выявил новую редкую частицу — чармоний. Иван Беляев, сотрудник LHCb и ИТЭФ, пояснил, что означает ее название и что с ней произойдет, почему исследователи продолжают поиски Новой физики и какие перспективные проекты в области высоких энергий заслуживают внимания.
В конце февраля этого года стало известно о сотрудничестве LHCb (В состав Европейской организации ядерных исследований (CERN) входят более десяти российских научных организаций, среди которых Институт теоретической и экспериментальной физики имени А. И. Алиханова НИЦ «Курчатовский институт» (ИТЭФ), Институт ядерной физики имени Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН), Новосибирский государственный университет (НГУ), обнаружила редкий чармоний — частицу ψ3(1D).
Обнаружение нового состояния, состоящего из c-кварка и анти-c-кварка, восполнило одну из неточностей кварковой модели. Результаты эксперимента представили на Международной конференции по электрон-позитронному взаимодействию, которая проходила в ИЯФ СО РАН (Новосибирск) и охватывала диапазон энергий от Phi до Psi).
Иван Беляев – кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ИТЭФ и сотрудник коллаборации LHCb.
— Когда специалист видит название ψ3(1D), что он сразу же понимает об объекте?
— Название частицы служит своего рода идентификатором. По «паспортным данным», которые оно содержит, эксперт может сразу определить ее состав и характеристики.
«ψ3» описывается как частица, состоящая из очарованного кварка и антикварка, имеющая спин, равный трем, при этом суммарный спин кварка и антикварка составляет единицу. «1D» указывает на то, что это наименее массивная частица среди тех, у которых имеется орбитальный момент, равный двум.
Оговорюсь, что для нашей ψ3(на данный момент это лишь гипотеза, требующая дополнительных измерений. Известно, что в ее составе присутствуют очарованные кварк и очарованный антикварк, которые обладают умеренной скоростью вращения, а масса частицы составляет 3843 мегаэлектронвольта.
В данный момент ψ3(обнаруженная в эксперименте LHCb частица (1D) находится в пограничном состоянии. Действительно, кварковая модель предсказывает существование аналогичной частицы, обладающей такой же массой и скоростью вращения кварков.
Помимо массы и времени жизни, о новом состоянии s-кварка и анти-s-кварка нам ничего достоверно неизвестно. Для корректной интерпретации требуется определение спина частицы и ее других квантовых характеристик, включая четность.
В противном случае, если измерения квантовых чисел покажут несоответствие с предсказаниями кварковой модели, наша частица может быть экзотической, то есть не подчиняться ей. В этом случае наши знания о ней будут нулевыми.
Нам представляется, что мы понимаем ее. Однако физики предпочитают не говорить «нам кажется», а утверждать: «мы измерили». Чтобы полностью понять, что собой представляет ψ 3(1D), нужно изучать ее дальше.
Определение того, сколько времени потребуется для полного понимания ψ, остается открытым вопросом ψ 3(определить, относится ли она к (1D), сложно. Полагаю, в обновленной Partical Data Book, запланированной к публикации в 2020 году, она будет представлена как “X(3842) (техническое название) — частица, аналогичная ψ 3(в 2022 году, я уверен, о ней станет известно гораздо больше.
— В чем заключается уникальность проекта LHCb и какой вклад в него внесла группа из Института теоретической и экспериментальной физики?
— Эксперимент LHCb характеризуется значительно более высокой скоростью обработки данных по сравнению с другими. Как правило, данные, полученные при достижении полной статистики в экспериментах, подобных ATLAS или CMS на Большом адронном коллайдере, получают через два года.
Большинству проектов, требующих обработки значительного объема данных, свойственен продолжительный срок реализации.
В эксперименте LHCb группа из семи сотрудников ИТЭФ составляет лишь 0,8% от общего числа авторов, однако им удалось опубликовать 9% всех физических работ. Среди достижений, которыми мы особенно дорожим, — разработка программного обеспечения для обработки данных, значительно повысившего продуктивность работы физиков.
Благодаря нашей инновационной методике, анализ данных осуществляется в режиме реального времени, выбираются только значимые события, а первичная статистика доступна уже через два месяца.
Показателен пример с частицей ψ3(сбор данных по нашему эксперименту был завершен в ЦЕРН в конце октября 2018 года, а в конце февраля 2019 года в ИЯФ СО РАН мы предоставили результаты полной обработки данных. Это достижение является уникальным.
— В настоящее время все чаще обсуждается вопрос утраты индивидуальности в процессе научных открытий, особенно в сфере физики частиц — установки становятся такими огромными и сложными, что одному человеку с ними просто не справиться, вот и список соавторов научных статей растет. Справедливо ли это?
— Что касается инженерной составляющей, то это утверждение справедливо. Ранее эксперименты проводились в лабораторных условиях, и объем технических задач был значительно меньше. В настоящее время создание установки может занять 20–30 лет, в течение которых специалистам инженерно-технического профиля предстоит решить множество сложных задач.
Игнорировать такую сложную работу было бы ошибкой. В крупных экспериментах вклад инженеров высоко оценивается, и, естественно, они признаются соавторами научных публикаций.
— Наблюдается ли в современных экспериментах по физике частиц тенденция к переходу от исследований при высоких энергиям к работе с более низкими?
— Существует определенная тенденция, однако она обусловлена необходимостью. Разработка отклонений от Стандартной модели при высоких энергиях не представляет особой сложности — у теоретиков имеется огромное количество привлекательных идей.
Для этого необходимы огромные установки, разработка которых не всегда реализуема с технической точки зрения и сопряжена со значительными финансовыми затратами, требующими совместных усилий нескольких государств. Таким образом, теоретическим расчётам легче поддаются вычисления, чем экспериментальной проверке.
Низкоэнергетические ускорители более доступны по стоимости. Однако в данном случае принцип дополнительности проявляется в обратном порядке: экспериментальные исследования оказываются более сложными для теоретического описания.
Нынешняя тенденция формируется под воздействием человеческого потенциала.
В действительности, любой научный проект, как правило, оказывается выгодным. Так, синхротронное излучение (СИ), которое первоначально создавало трудности для физиков при проведении экспериментов на коллайдерах.
В настоящее время синхротронное излучение находит применение в современных биотехнологиях, разработке передовых материалов с особыми характеристиками и в медицине. Протонные и ионные ускорители применяются для терапии онкологических заболеваний, особенно поражающих головной мозг, что является не фантазией, а реальностью для людей, которым они оказали помощь.
— Ученые не менее активно подтверждают положения Стандартной модели, как и стремятся к поиску новых явлений Новой физики, чтобы эту же Стандартную модель опровергнуть — все это чтобы разобраться в том, как устроена Вселенная. Как вам кажется, какие проекты при успешной реализации помогут человечеству понять мироздание?
— Этот проект, отличающийся новаторским подходом и вызывающий восхищение даже только одной идеей, — электрон-позитронный коллайдер Супер С-тау фабрика, разработанный ИЯФ СО РАН.
Вселенная не обладает симметрией, иначе не сформировался бы мир, который мы наблюдаем. На ранних этапах ее существования количество вещества превысило количество антивещества. До конца 1990-х годов исследователи полагали, что эту асимметрию удастся зафиксировать в процессе распада B-мезонов (в ходе экспериментов BaBar и Belle).
Согласно измерениям, удается объяснить лишь одну миллиардную часть от общей наблюдаемой Вселенной — это, конечно, лучше, чем полное отсутствие объяснений, однако остается недостаточно.
В конце 1960-х годов итальянский и советский физик Бруно Понтекорво предположил, что нарушения СР-симметрии можно выявить в лептонном секторе, например, при изучении тау-лептонов. Однако в то время это предположение, несмотря на его привлекательность, считалось маловероятным.
Благодаря имеющимся знаниям о физике нейтрино и тяжелых лептонов, я уверен, что задача, поставленная в ИЯФ СО РАН — объяснение одной трети наблюдаемой Вселенной — выполнима.
Подготовила Татьяна Морозова, ИЯФ СО РАН