Заглянуть в «зептоворс»: открытые горизонты физики частиц

Современная физика достигла впечатляющих высот в исследовании микромира. Среди главных инструментов, позволяющих заглянуть в тайны субатомных частиц, выделяется Большой адронный коллайдер (БАК), который способен исследовать объекты на масштабе в одну квинтиллионную метра (аттометр). В 2012 году БАК подтвердил существование бозона Хиггса, однако за этим открытием последовало лишь несколько менее значительных результатов, что поднимает вопросы о том, почему мы до сих пор не обнаружили ожидаемых новых частиц.

В недавнем исследовании, опубликованном в журнале New Scientist, физик-экспериментатор Гарри Клифф объясняет одну из теорий, которые могут прояснить ситуацию. Он указывает на существование так называемого «зептоворса» — мира, существующего на уровне 10^-21 метра, за пределами возможностей БАК, который может анализировать частицы только до 50 зептометров. Профессор Анджей Бурас из Технического университета Мюнхена предлагает, что множество новых частиц просто находятся за пределами возможностей детектора БАК.

Перспективы улучшений в области детекции частиц открываются благодаря проработанному исследованию новейшего коллайдера — Будущего кругового коллайдера (FCC). Хотя запуск FCC запланирован на 2070 год, Бурас считает, что исследовать новые физические явления можно и другими методами. В своей статье в журнале Physik Journal он задает вопрос, возможно ли провести детальное изучение зептоворса без необходимости выполнения высокоэнергетической физики.

В своей работе, опубликованной на сервере arXiv, Бурас выделяет семь целей для будущих исследований, получивших название «великолепная семерка». Все они связаны с крайне редкими распадами частиц, содержащих странные и нижние кварки, которые Клифф называет «эволюциями из зептоворса». Некоторые эксперименты по поиску таких распадов уже ведутся.

Одним из примеров таких редких распадов служит распад мезона B — составной частицы, состоящей из различных кварков. В 2023 году эксперимент Belle II в Японии зафиксировал данный распад, который приводит к образованию кайона (K мезона) и двух нейтрино. Однако из-за недостатков экспериментальной установки о нейтрино сохранилась ограниченная информация.

Не менее значительным является распад, зарегистрированный экспериментом NA62 на ЦЕРНе, который зафиксировал распад положительно заряженного кайона на пион и пару частица-античастица. Ожидается, что менее одного из 10 миллиардов кайонов распадается именно таким образом, и это взаимодействие чувствительно к отклонениям от Стандартной модели, что делает его одной из ключевых целей для поиска новой физики. Эксперимент KOTO в Японии ведет активный поиск второго подтверждения такого распада кайона.

Как отметил Бурас в журнале CERN Courier, «поиск новых частиц и сил, выходящих за рамки Стандартной модели, обоснован потребностью в объяснении тёмной материи, огромного разнообразия масс частиц и асимметрии между материей и антиматерией, которая является причиной нашего существования». Прямые поиски новых частиц на БАК пока не принесли значительных результатов, что делает косвенные методы всё более актуальными.

Научное сообщество лишь начинает заглядывать в неизвестные горизонты зептоворса, и до тех пор, пока новые коллайдеры не будут запущены, эти крайне редкие распады остаются единственными «окнами» в этот загадочный мир.