На сегодняшний день Стандартная модель, описывающая элементарные частицы и фундаментальные взаимодействия, получает очень хорошее экспериментальное подтверждение, и недавнее открытие бозона Хиггса завершило эту целостную картину, которая формировалась на протяжении последних 60 лет. В силу целого ряда причин физики точно знают, что это вовсе не окончательная теория — это теория до какого-то масштаба энергии, но новые теории должны включать ее как составляющее.

Соответственно, одно из главных направлений современной физики высоких энергий, физики элементарных частиц — это поиск возможных проявлений и отклонений от предсказаний Стандартной модели. И одно из мест в Стандартной модели, где эти явления могут проявиться в первую очередь, — сектор, связанный с топ-кварком — это самый массивный объект из точечных, известных нам на сегодняшний день. Целый ряд других характеристик тоже говорит нам о том, что топ-кварк может стать ключевым местом в поисках «новой физики».

Как может проявиться эта «новая физика»? В первую очередь, конечно, это свойства и характеристики самого топ-кварка, то есть они измеряются. Надо напомнить, что сам топ-кварк был открыт не так давно — это был 1995 год — на коллайдере «Теватрон» в Лаборатории имени Ферми, и с тех пор он интенсивно изучается на различных доступных коллайдерах. Так что на сегодняшний день свойства топ-кварка померены очень хорошо, и они, в общем-то, не вызывают у нас никаких серьезных вопросов.

Следующая возможность — это взаимодействие топ-кварка с другими частицами. Могут проявляться различные отклонения в этих взаимодействиях либо появляться даже новые взаимодействия, то есть взаимодействия, которые подавлены в рамках Стандартной модели, и их присутствие, их экспериментальная регистрация могут дать нам информацию о том, куда направить теорию. То есть существует достаточно много различных теорий за рамками Стандартной модели, но единственный критерий истинности здесь — это эксперимент, и все возможные теории или классы теорий должны пройти какую-то экспериментальную проверку.

Рекомендуем по этой теме:
3659
FAQ: Топ-кварк

Следующий возможный тип отклонений от предсказаний Стандартной модели — это рождение новых частиц, которые не предсказываются Стандартной моделью. Это векторные и скалярные заряженные и нейтральные бозоны, это кварки и лептоны четвертого поколения, это возбужденные состояния кварков. Все эти эффекты исследуются очень интенсивно.

Остановлюсь на некоторых особенностях. В частности, наиболее характерно для топ-кварка — это исследование взаимодействий топ-кварка с W-бозоном и b-кварком. Топ-кварк распадается по единственному каналу распада — это W-бозон и b-кварк. Причем топ-кварк успевает распасться до образования адронных состояний в отличие от остальных кварков. Таким образом, можно сказать, что процессы с рождением топ-кварков дают нам очень точную и чистую информацию о фундаментальных взаимодействиях кварков. И исследование главного взаимодействия, через которое проходит топ-кварк, — распада W-бозона и b-кварка — очень важно с этой точки зрения.

Как это происходит? В теорию Лагранжа вставляют все возможные члены новых взаимодействий, те, которые удовлетворяют инвариантности относительно лоренцевских преобразований, и то, что позволяют законы сохранения, другие симметрии. Такие возможные отклонения параметризуются, и проводится экспериментальный поиск всех возможных отклонений, причем модельно-независимых. Целый ряд теорий предсказывает конкретные отклонения в таких взаимодействиях, и поэтому, когда мы проводим модельно-независимый анализ, мы можем сразу экспериментально ограничить и исключить или подтвердить целые классы теорий. Таким образом, ставится ограничение на возможность существования правых векторных токов в таких взаимодействиях или токов магнитного типа, тоже лево- и правоспиральных.

Следующий интересный эффект, который исследуется на протяжении последнего десятка лет в физике топ-кварка, — это асимметрия в рождении топ- и антитоп-кварков, причем в геометрии детектора.

То есть исследуется количество топ-кварков, летящих в одном направлении, количество антитоп-кварков, летящих в другом направлении, строится некая характеристика, которая характеризует такую асимметрию, и сравнивается с предсказаниями Стандартной модели.

В физике топ-кварка это практически единственное место, в котором видны небольшие отклонения от предсказаний Стандартной модели. На протяжении последних 10 лет этот вопрос активно изучается, повышается статистика экспериментальных результатов, увеличивается энергия. Эти исследования становятся более точными, но этот эффект в асимметрии топ- и антитоп-кварков все равно остается на уровне статистической достоверности, недостаточной для заключения об открытии такого эффекта. То есть пока это скорее на уровне некоторых уточнений в теории или более точного моделирования. В частности, этот эффект важен для того, чтобы понять одну из ключевых задач в современной физике — отсутствие антиматерии. Мы видим присутствие только материи в нашей Вселенной, хотя материя и антиматерия должны рождаться примерно в равных количествах, и только какие-то достаточно специфичные процессы будут приводить к преобладанию материи над антиматерией, что мы наблюдаем сейчас в реальном мире.

Итак, существуют новые взаимодействия, например взаимодействия, которые в Стандартной модели — под взаимодействиями я понимаю процессы, не фундаментальные взаимодействия — сильно подавлены. Например, это изменение аромата кварков через нейтральные токи, то есть через обмен глюоном либо обмен фотоном, Z-бозоном. Такие процессы очень сильно подавлены, и их экспериментальное наблюдение скажет достаточно достоверно о том, что присутствует какой-то новый эффект и новая теория. Естественно, целый ряд теорий предсказывает такие отклонения, начиная с суперсимметрии и заканчивая многими другими теориями. И такой поиск ведется, пока на очень хорошем уровне точности такие процессы не зарегистрированы.

Следующие отклонения, которые возможны, о которых нужно сказать, — это рождение каких-то дополнительных частиц. В первую очередь исследуются векторные и скалярные заряженные и нейтральные бозоны, которые взаимодействуют с топ-кварком, и в процессах с топ-кварком они могут проявиться. Естественно, если бы это были достаточно легкие частицы — десятки и даже сотни гигаэлектронвольтов по массе, — они уже, скорее всего, были бы зарегистрированы, потому что существующие ограничения на такие возможные бозоны уже достаточно жесткие, их массы примерно тераэлектронвольт. Соответственно, для рождения таких резонансов, таких массивных частиц нужна достаточная энергия, потому что, если энергия взаимодействия будет сотни гигаэлектронвольтов, естественно, в таких взаимодействиях не родится частица массой 1 тераэлектронвольт и выше, за некоторым исключением: есть такие анализы, которые исследуют подпороговый эффект, то есть когда энергии не хватает, но все равно подпороговые эффекты дают нам некоторую дополнительную информацию. Такие исследования проводятся, но они, естественно, существенно менее чувствительны к таким явлениям. Наиболее распространен прямой поиск новых резонансов, взаимодействующих, в частности, с топ-кварком. Либо это распад резонансного топ-кварка, либо топ-кварк распадается на такой резонанс в зависимости от массы этих резонансов и, соответственно, характеристик взаимодействия топ-кварка с этими частицами.

Таким образом, охватывается практически весь спектр возможных отклонений от Стандартной модели в секторе топ-кварка и возможных проявлений «новой физики» в этом секторе. Естественно, такие эффекты должны быть на уровне статистической достоверности, дающей нам возможность сказать об открытии. И, естественно, такие анализы проводятся под очень жестким и четким контролем экспертного сообщества, то есть не может пройти ни одной такой публикации, которая не была бы многократно проверена. Мы знаем, конечно, примеры, когда даже через такие жесткие экспертные сообщества проходило заключение, которое потом опровергалось, такие примеры известны. В частности, можно привести сообщение эксперимента OPERA об открытии нейтрино, двигающегося со сверхсветовой скоростью, но потом оказалось, что технические особенности и нарушения целостности в эксперименте привели к таким результатам.

В целом же на сегодняшний день картина такая, что мы не видим статистически значимых достоверных отклонений от предсказаний Стандартной модели в секторе топ-кварка.

Дальнейшие эксперименты направлены на увеличение порогов по массе частиц, которые мы можем зарегистрировать, на исследования более редких процессов, то есть увеличение статистики даст нам возможность исследовать более редкие процессы и, соответственно, точнее оценить параметры и характеристики таких взаимодействий. К чему это приведет — увидим в будущем. Но факт, что какие-то расширения Стандартной модели, какая-то новая теория должна будет существовать, и наверняка мы ее найдем.