Физика элементарных частиц в 2017 году

Рис. 1. Экспериментальное исследование мира элементарных частиц всегда было сложной задачей. Сейчас к ней добавляется и всё растущее состояние неопределенности: как искать Новую физику, куда дальше двигаться физике высоких энергий? Рисунок с сайта web.sas.upenn.edu

Конец года — самое время подводить итоги и рассуждать о будущих направлениях развития. Мы предлагаем вам окинуть беглым взглядом, что принес 2017 год в физике элементарных частиц, какие результаты были на слуху и какие намечаются тенденции. Эта подборка, безусловно, будет субъективной, но она осветит современное состояние фундаментальной физики микромира с одного широко популярного угла зрения — через поиск Новой физики.

Дела коллайдерные

Главным источником новостей из мира элементарных частиц по-прежнему остается Большой адронный коллайдер. Собственно, он и был создан для того, чтобы расширять наше знание о фундаментальных свойствах микромира и вгрызаться в неизведанное. Сейчас на коллайдере продолжается многолетний сеанс работы Run 2. Одобренное ЦЕРНом расписание работы коллайдера простирается до середины 2030-х годов, и прямых конкурентов у него не будет как минимум еще десятилетие. Его научная программа включает в себя задачи из самых разных областей физики частиц, так что, даже если задерживаются результаты в каком-то одном направлении, это компенсируется новостями из других.

В техническом плане 2017 год отметился ударным темпом набора данных (рис. 2). Правда, проблемы с одной из вакуумных секций вынудили техников подбирать режим столкновений в обход инструментальных ограничений. С честью выйдя из испытаний, они смогли достичь и даже превысить план по набору статистики. Интегральная светимость, набранная за этот год, достигла 50 fb⁻¹ в детекторах ATLAS и CMS, и, вкупе со статистикой 2015 и 2016 годов, полный объем данных на энергии 13 ТэВ приблизился к 100 fb⁻¹.

Рис. 2. Ход набора светимости на LHC в 2017 году. Зеленые точки: реальные данные, синяя линия — исходный план. График с сайта home.cern

Но вот что касается научных результатов, то здесь царит, скорее, сдержанный пессимизм. С одной стороны, коллайдер в самом деле резко передвинул энергетический фронт исследований за пределы 1 ТэВ. Если десятилетие назад теоретики мечтали об открытии суперсимметрии и о фейерверке новых частиц и явлений при энергиях 0,3–0,5 ТэВ, то теперь ограничения снизу на массу сильновзаимодействующих частиц-суперпартнеров достигают 2 ТэВ. Были выполнены сотни вариантов поисков новых эффектов, которые предсказывают разнообразные теории за пределами Стандартной модели, но никаких убедительных сигналов обнаружить не удалось. Ограничения сверху на массы гипотетических новых частиц достигают в отдельных случаях нескольких ТэВ. Иными словами, если Новая физика тут и есть, то она явно не лежит на поверхности.

С другой стороны, никто в физике частиц из этого не делает трагедии. Все понимают, что после обнаружения бозона Хиггса эпоха гарантированных открытий в физике частиц закончилась. Если сравнивать нынешние исследования микромира с путешествиями средневековых мореплавателей, то сейчас мы реально вышли в неизведанные воды, в открытый океан — и мы не знаем, когда и где нас ждет следующее большое открытие. Природа не подарила нам моментального яркого открытия — ну что ж, у нас есть и запасные возможности. Нестандартные эффекты можно обнаружить, не только напрямую открывая новые частицы, но и через косвенное их влияние на частицы уже известные. И вот здесь потенциал Большого адронного коллайдера остается огромным.

Во-первых, у нас есть хиггсовский бозон — частица совершенно нового сорта, и с тщательным изучением этого бозона физики связывают большие надежды. Есть множество теоретических конструкций, в которых первые отклонения от Стандартной модели как раз должны проступать в виде нестандартных свойств бозона Хиггса. Пока что измеренные характеристики этой частицы выглядят совершенно стандартными, — по крайней мере по данным Run 1 и первой половины Run 2 (рис. 3). Но ведь мы только начали ее изучать, и погрешности у этих измерений все еще велики. В них вполне могут скрываться небольшие отклонения, которые удастся увидеть только на гораздо большей статистике. Сейчас результаты по бозону Хиггса базируются на данных 2016 года, да и то не во всех случаях. Богатая статистика 2017 года пока находится в стадии обработки, и первые результаты на ее основе будут представлены только на зимних конференциях.

Рис. 3. Свойства хиггсовского бозона по результатам сеанса LHC Run 1. По результатам 2016 года складывается еще более стандартная картина

В этой связи логичным кажется выбор, сделанный недавно международным физическим сообществом: построить-таки Международный линейный коллайдер ILC, но только в упрощенной версии, и использовать его как хиггсовскую фабрику. ILC — это проект нового электрон-позитронного коллайдера, который, по исходной задумке, должен будет измерить в мельчайших деталях все то, что откроет LHC. Все технологии для его реализации уже готовы, выбрано место постройки, и вот уже несколько лет все упирается лишь в готовность правительств стран-участников — и прежде всего, Японии, на территории которой будет построен коллайдер, — вложить миллиарды долларов в его реализацию. Если бы LHC обнаружил новые частицы или иные четкие свидетельства Новой физики, никаких препятствий не было бы — коллайдер ILC с энергией столкновений на 500 ГэВ или даже выше получил бы зеленый свет. В нынешней же ситуации единственной гарантированной «мишенью» ILC может служить только бозон Хиггса. Для его изучения хватит гораздо более скромной энергии столкновений — 250 ГэВ, что лишь немногим превышает энергию церновского коллайдера LEP из уже прошлого века (рис. 4). Однако это позволит на 40% снизить стоимость реализации проекта при сохранении научной ценности. Подробности нового плана описаны в статьях arXiv:1710.07621 и arXiv:1711.00568, и хочется надеяться, что эта переоценка сдвинет дело с мертвой точки.

Рис. 4. Варианты реализации линейного коллайдера ILC. Верхний вариант: исходный проект с энергией столкновений 500 ГэВ, средний вариант: минимально полезный вариант с энергией 250 ГэВ, нижний вариант: промежуточные опции. Рисунок из статьи L. Evans, S. Michizono, 2017. The International Linear Collider Machine Staging Report 2017

Во-вторых, за последние несколько лет детектор LHCb, вкупе с некоторыми другими экспериментами, выдал череду обескураживающих результатов по редким распадам B-мезонов. В целом ряде процессов были обнаружены отклонения от Стандартной модели. Каждое из этих измерений по отдельности не тянет на громкую заявку, но почти все они удивительным образом отклоняются от Стандартной модели примерно в одну сторону, словно намекая на Новую физику. Больше всего обнадеживает то, что эти отклонения — на редкость живучие. При наборе новых данных они не пропадают, а остаются, иногда даже усиливаются. Вот и в этом году коллаборация LHCb выдала еще пару таких аномалий, укладывающихся в общую тенденцию (первое, второе).

Здесь остается широчайший простор для громких открытий. Дело в том, что все эти данные LHCb были получены на основе статистики Run 1, набранной в 2010–2012 годах. Тщательный анализ данных и сравнение с моделированием занимает очень много времени, и обработка данных 2016, а тем более — 2017 года еще не завершена. В отличие от ATLAS и CMS, статистика LHCb не демонстрирует такой огромный скачок при переходе от Run 1 к Run 2, но все равно физики ожидают существенное обновление ситуации с загадками B-мезонов. А ведь впереди еще Run 3, а затем — LHC на повышенной светимости, и кто знает, что еще принесет ближайшее десятилетие.

К тому же, в следующем году вступит в строй модернизированная B-фабрика SuperKEKB с детектором Belle II. Уже в ближайшие годы она станет полноправным охотником за отклонениями, а к 2024 году накопит совершенно запредельную светимость 50 ab⁻¹ (то есть 50 000 fb⁻¹), см. рис. 5. В результате, если, скажем, нарушение лептонной универсальности, обнаруженное в распадах B-мезонов на D-мезоны и лептоны, реально, то детектор Belle II сможет его подтвердить на уровне статистической значимости аж 14σ (сейчас оно достигает лишь 4σ).

Рис. 5. Планы по набору светимости на B-фабрике SuperKEKB. График с сайта www-superkekb.kek.jp

Редкие распады B-мезонов — это горячая тема и для теоретиков. Громкие заявления о том, что эксперимент существенно расходится с предсказаниями Стандартной моделью, возможны, только если мы эти самые предсказания надежно вычислены. Но их невозможно просто взять и рассчитать. Все упирается во внутреннюю динамику адронов, головную боль теоретиков, которую приходится оценивать на основе предположений. В результате несколько теоретических групп дают существенно различающиеся оценки того, насколько серьезным является расхождение между экспериментом и Стандартной моделью: кто-то заявляет, что больше 5σ, другие — что не превышает 3σ. Это состояние неопределенности, увы, характерно для нынешних интерпретаций аномалий в B-мезонах.

Низкие энергии

Впрочем, кроме поиска намеков на Новую физику при высоких энергиях, в физике частиц есть немало и других задач. Пусть они реже попадают в заголовки СМИ, но для самих физиков они тоже очень важны.

Одно активное направление исследований касается адронной спектроскопии и, в особенности, многокварковых адронов. Ряд открытий был сделан на LHC в прошлые годы (самое заметное — это обнаружение пентакварка со скрытым очарованием), но и 2017 год принес несколько новых частиц. Мы рассказывали про сразу пять новых частиц из семейства Ω_c-барионов, открытых единым махом, и про первый дважды очарованный барион. Косвенной демонстрацией того, насколько эта тема захватила физиков, может служить недавняя теоретическая статья в Nature про энерговыделение в адронных слияниях; публикация в этом журнале, да еще и теоретической статьи — совершенно экстраординарная ситуация для физики частиц.

Еще одна область работы — это попытки разобраться со старыми загадками. Например, еще с 2001 года тянется проблема с магнитным моментом мюона. Эту характеристику мюона можно исключительно точно измерить в эксперименте и очень аккуратно рассчитать теоретически. Измерения и расчеты, однако, расходятся друг с другом примерно на 3σ, и расхождение это зависит к тому же от деталей теоретического анализа. Кто-то считает, что оно исчезнет при более аккуратном измерении и расчете, другие надеются, что здесь мы впервые, сквозь «мюонную призму», видим намек на Новую физику. Так или иначе, этот запутанный клубок проблем давит на физиков уже не одно десятилетие и требует разрешения (см. подробный доклад И. Б. Логашенко Аномальный магнитный момент мюона: окно в мир Новой физики).

Чтобы разобраться с ним, в Фермилабе в этом году запускается новый эксперимент Muon g-2 по измерению злополучного магнитного момента мюона с точностью, в несколько раз превышающей результат 2001 года (см. недавний доклад коллаборации). Первые серьезные результаты следует ожидать уже в 2018 году, окончательные — после 2019 года. Если отклонение останется на прежнем уровне, это станет серьезнейшей заявкой на сенсацию. А тем временем, в ожидании вердикта из Фермилаба, уточняются и теоретические расчеты. Тут загвоздка в том, что адронный вклад в аномальный магнитный момент мюона нельзя вычислить «на кончике пера». Этот расчет тоже неизбежно опирается на эксперименты, но совсем другого рода — например, на рождение адронов в низкоэнергетических электрон-позитронных столкновениях. И тут буквально две недели назад появилось новое измерение от детектора CLEO-c в ускорителе CESR в Корнельском университете. Оно уточняет теоретический расчет и, как выяснилось, усугубляет расхождение: теория и эксперимент 2001 года отличаются теперь на все 4σ. Что ж, тем интереснее будет узнать результаты эксперимента Muon g-2.

Рис. 6. Электромагнит для эксперимента Muon g-2 на пути в Фермилаб. Фото с сайта muon-g-2.fnal.gov

Проблемы в физике частиц бывают и чисто инструментальные, скажем, когда разные измерения одной и той же величины сильно расходятся друг с другом. Мы не будем заострять внимание на измерениях гравитационной константы, — эта вопиюще неудовлетворительная ситуация выходит за пределы физики частиц. А вот проблему со временем жизни нейтрона — она во всех подробностях описана в нашей новости 2013 года — упомянуть стоит. Если до середины 2000-х все измерения времени жизни нейтрона давали примерно одинаковые результаты, то новый эксперимент 2005 года, выполненный группой А. П. Сереброва, резко контрастировал с ними. Постановка экспериментов принципиально различалась: в одном измерялась радиоактивность пролетающего пучка нейтронов, а в другом — выживаемость ультрахолодных нейтронов в гравитационной ловушке. Источники систематических погрешностей в этих двух типах экспериментов совершенно разные, и каждая группа критиковала «конкурента», напирая на то, что она-то свои погрешности учла должным образом. И вот, похоже, научный спор близится к своему разрешению. В этом году появилось два новых измерения (первое, второе), проведенные по различающимся методикам. Оба они дают близкие значения и поддерживают результат 2005 года (рис. 7). Окончательную точку сможет поставить новый японский пучковый эксперимент, описанный в недавнем докладе.

Рис. 7. История измерений времени жизни нейтрона в последние 17 лет. Красным показаны результаты пучковых измерений, черным — ловушечных. Сравните его с рис. 3 в нашей новости 2013 года. График из статьи A. P. Serebrov et al., 2017. Neutron lifetime measurements with the big gravitational trap for ultracold neutrons

По всей видимости, близка к разрешению и другая загадка, мучавшая физиков семь лет — проблема радиуса протона. Эта фундаментальная характеристика ключевого кирпичика материи была, конечно, измерена в многочисленных экспериментах, и все они также давали примерно одинаковые результаты. Однако в 2010 году, изучая спектроскопию не обычного, а мюонного водорода, коллаборация CREMA обнаружила, что, по этим данным, радиус протона на 4% меньше общепринятого значения. Расхождение было очень серьезным — на 7σ. Вдобавок, в прошлом году проблема усугубилась аналогичными измерениями с мюонным дейтерием. В общем, стало совершенно непонятно, в чем вообще подвох: в расчетах, в экспериментах (и тогда — в каких), в обработке данных, или же в самой природе (да-да, некоторые теоретики и здесь пытались увидеть проявления Новой физики). Подробное популярное описание этой проблемы см. в больших материалах Спектроскопия мюонного дейтерия обострила проблему с радиусом протона и Щель в доспехах; краткий обзор текущей ситуации по состоянию на август этого года приведен в публикации The proton radius puzzle.

И вот в октябре этого года в журнале Science вышла статья с результатами новых экспериментов, в которых радиус протона был перемерен в обычном водороде. И — сюрприз: новый результат сильно расходился в предыдущими, всеми уважаемыми водородными данными, зато согласовывался с новыми мюонными (рис. 8). Похоже, что причина расхождения скрывалась в тонкостях измерения частот атомных переходов, а не в свойствах самого протона. Если другие группы подтвердят это измерение, то проблему с радиусом протона можно будет считать закрытой.

Рис. 8. Измерения радиуса протона разными методами. Синий треугольник: усредненный результат по многочисленным ранним измерениями через спектроскопию обычного водорода. Шестиугольник: рекомендованное значение комиссии CODATA за 2014 год. Сиреневый квадрат: результат на основе мюонного водорода, кардинально расходящийся с более ранними результатами. Зеленый ромбик: новое измерение на основе обычного водорода, которое уже подтверждает мюонный результат. Рисунок из статьи A. Beyer et al., 2017. The Rydberg constant and proton size from atomic hydrogen

А вот другая низкоэнергетическая загадка — аномалия в ядерных переходах метастабильного бериллия-8 — так пока и не получила объяснения (рис. 9). Возникшая из ниоткуда два года назад, она привлекла внимание многих теоретиков, ищущих проявления Новой физики, поскольку она напоминала процесс рождения и распада новой легкой частицы с массой 17 МэВ. На эту тему вышло уже несколько десятков статей, но никакого общепринятого объяснения пока не найдено (см. обзор ситуации по состоянию на июль этого года в недавнем докладе). Сейчас проверка этой аномалии включается в виде отдельного пункта научной программы в будущие эксперименты по поиску новых легких частиц, и нам остается только ждать их результатов.

Рис. 9. Возникновение возбужденного ядра бериллия-8 и сброс возбуждения путем испускания электрон-позитронной пары. Именно в угловом распределении этой пары и была обнаружена аномалия, которую многие интерпретируют как проявление новой легкой частицы с массой 17 МэВ. Рисунок из статьи B. Fornal, 2017. Is There a Sign of New Physics in Beryllium Transitions?

Сигналы из космоса

Элементарные частицы можно искать и изучать не только на коллайдерах, но и в космосе. Самый прямой способ — это ловить частицы космических лучей и по их спектру, составу, и угловому распределению выяснять, откуда эти частицы взялись. Конечно, подавляющее большинство космических пришельцев были разогнаны до больших энергий разными астрофизическими объектами. Но может статься, что некоторые из них возникли в результате аннигиляции или распада частиц темной материи. Если такая связь подтвердится, это станет долгожданным указанием на конкретные частицы темной материи, столь необходимые для космологии, но такие неуловимые в прямых экспериментах.

За последнее десятилетие было обнаружено несколько неожиданных особенностей в спектрах космических частиц разного сорта; две самые любопытные касаются доли космических позитронов и антипротонов большой энергии. Однако в обоих случаях есть и чисто астрофизические варианты объяснения, откуда в космических лучах столько антиматерии.

И вот совсем недавно новую сенсацию подбросили физикам первые результаты спутниковой обсерватории DAMPE: в ее спектре космических электронов «нарисовался» высокий узкий всплеск при энергии 1,4 ТэВ (см. подробное описание в новости Новые данные по космическим электронам и позитронам принесли очередные загадки, «Элементы», 13.12.2017). Конечно же, многие восприняли его как прямой сигнал от аннигиляции или распада частиц темной материи (рис. 10) — в первые же дни после обнародования результатов DAMPE вышло свыше десятка статей на эту тему (см. материал Изломы и всплески далекого космоса). Сейчас поток ослаб; ясно, что следующий шаг — за новыми наблюдательными данными, и они, к счастью, поступят через год-два.

Рис. 10. Пример того, как теоретическая модель с частицами темной материи с массой 1,5 ТэВ воспроизводит всплеск DAMPE. График из статьи Yi-Zh. Fan et al., 2017. A model explaining neutrino masses and the DAMPE cosmic ray electron excess

А вот другой недавний результат относится совсем к иным масштабам, космологическим, и к иным частицам — нейтрино. В появившейся в ноябре статье arXiv:1711.05210 сообщается о том, что, на основе пространственного распределения скоплений галактик, впервые удалось измерить сумму масс всех типов нейтрино: 0,11 ± 0,03 эВ. Нейтрино — это самые загадочные из известных фундаментальных частиц. Они обескураживающе легкие, настолько легкие, что большинство физиков уверено, что за их массу отвечает не хиггсовский механизм, а какая-то Новая физика. Кроме того, они осциллируют, спонтанно превращаются друг в друга на лету — и за доказательство этого факта была присуждена Нобелевская премия по физике за 2015 год. Благодаря осцилляциям мы знаем, что у трех сортов нейтрино массы разные, но мы не знаем их общего масштаба. Будь у нас это одно-единственное число, сумма масс всех нейтрино, мы бы смогли резко ограничить фантазии теоретиков относительно того, откуда вообще у нейтрино берутся массы.

Общий масштаб масс нейтрино можно, в принципе, измерять и в лаборатории (эксперименты ведутся, но пока дают лишь ограничение сверху), а можно извлекать из космических наблюдений. Дело в том, что нейтрино в космосе всегда было очень много, и в ранней Вселенной они влияли на формирование крупномасштабной структуры — зародышей будущих галактик и их скоплений (рис. 11). В зависимости от того, какова их масса, это влияние различается. Поэтому изучив статистическое распределение галактик и их скоплений, можно извлечь и суммарную массу всех типов нейтрино.

Рис. 11. Численное моделирование процесса образования структур в ранней Вселенной с учетом массивных (с массой 1,9 эВ, слева) или безмассовых нейтрино (справа). Эти ранние структуры отражаются в статистическом распределении галактик и их скоплений. Рисунок с сайта physics.aps.org

Конечно, такие попытки делались и раньше, но все они давали лишь ограничение сверху. Самое консервативное из них — это результат коллаборации Planck 2013 года: сумма масс меньше 0,25 эВ. Отдельные группы исследователей потом объединяли данные Planck с другими и получали более сильные, но и более модельно-зависимые ограничения сверху, вплоть до 0,14 эВ. Но это по-прежнему оставались именно ограничения! А новая статья, проанализировав опубликованный недавно каталог скоплений галактик, впервые смогла увидеть эффект от ненулевой массы и извлечь число 0,11 ± 0,03 эВ. Эта работа продолжается и дальше, так что можно ожидать, что в ближайшие годы ситуация полностью определится. А пока что заметим, что астрофизическое сообщество к этой работе отнеслось довольно настороженно: видимо, столь опосредованное статистическое измерение требует тщательно перепроверки.

И немного о теории

Теоретическая физика частиц в 2017 году, в целом, продолжила тенденцию прошлых лет. Есть отдельные четко очерченные направления работы, — и внутри них теоретики планомерно решают свои достаточно технические задачи. А есть очень широкое коммьюнити физиков-феноменологов, которые разными методами пытаются нащупать Новую физику. В этом пестром коллективе даже и близко нет намека на скоординированное движение в одном направлении. Скорее, в отсутствие четких экспериментальных указаний, здесь наблюдается броуновское движение частиц-теоретиков в многомерном и запутанном пространстве математических возможностей. Какая-никакая польза от этого есть: сообщество проверяет все возможные варианты гипотетического устройства нашего мира, либо отбрасывая их из-за несогласия с экспериментом, либо, наоборот, разрабатывая вглубь. Но сами теоретики признают, что подавляющее большинство конкретных моделей, которые они сейчас предлагают и изучают, будет рано или поздно выброшено за ненадобностью на свалку истории.

Из всего безбрежного моря разработок выделим, пожалуй, только одну тенденцию, которая стала усиливаться в последние год-два. Физики постепенно перестают цепляться за те идеи, которые им казались естественными — будь то эстетические соображения или естественность в вычислительном смысле, см. по этому поводу недавний доклад, в явных выражениях подчеркивающий эту мысль. К чему это в конце концов приведет — предсказать сейчас, из 2017 года, невозможно. Может быть, теоретики обнаружат-таки элегантную теорию, предсказания которой будут подтверждаться. А может быть, сначала придут долгожданные экспериментальные результаты, указывающие на физику за пределами Стандартной модели, и теоретики методом проб и ошибок подберут к ним ключи. Может, конечно, оказаться и так, что ничего существенно нового так и не обнаружится в ближайшие десятилетия — и тогда придется пересматривать весь подход к дальнейшему изучению микромира. Одним словом, мы сейчас на перепутье и в состоянии неопределенности. Но видеть в этом следует не поводы для уныния, а признак того, что нас ждут перемены.

Игорь Иванов