«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 — переносчиками 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 виртуальный гамма-квант внутри самого ядра бериллия превращается в пару электрон-позитрон.
Поскольку масса виртуального 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 физико-математических наук Андрей Ростовцев.
«На графике видно, что отклонения наблюдаются только при двух значениях 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, которому история с открытием венгерских физиков и подведения под него теоретического обоснования напомнила громкую историю двухлетней давности. Тогда физики, работавшие на итальянском эксперименте OPERA объявили об открытии нейтрино, летевших со сверхсветовой скоростью. «Тогда сразу появилось море теоретических работ, объясняющих с помощью дополнительных измерений, пятых сил, новых частиц и чего угодно—около ста теоретических статей! И что?
Потом оказалось, что ничего не было, а какой-то студент плохо кабель соединил», — вспоминает физик.
Проверить гипотезу можно будет на БАКе и в 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.