«Физика за пределами Стандартной модели» охватывает теоретические разработки, которые должны объяснить недостатки Стандартной модели, например, происхождение массы, нейтринные колебания, асимметрию материи и антиматерии, природу темной энергии и темной материи, а также те места, в которых Стандартная модель не согласуется с ОТО: сингулярность Большого Взрыва и горизонт событий черной дыры.
Последние наблюдения, представленные на конференции Europhysics, посвященной физике высокоэнергетических частиц в Гренобле, Франция, за топ-кварками (t-кварки, или истинные кварки) — самыми тяжелыми из известных фундаментальных частиц — могут перевернуть Стандартную модель.
Данные столкновений на ускорителе частиц Тэватрон в лаборатории Ферми в Батавии, штат Иллинойс, позволяют предположить, что некоторые из взаимодействий топ-кварков основаны на пока неизвестной силе и связываются неизвестной частицей, не представленной среди возможных в Стандартной модели — топ-глюоном. Согласно одной из интерпретаций, топ-кварк, связанный со своим отрицательным партнером, антитопом, будет действовать как вариация неуловимого бозона Хиггса, передавая массу другим частицам.
Регина Демина, физик из Университета Рочестера в Нью-Йорке, вместе со своими коллегами проанализировала данные столкновений частиц за восемь лет на двух детекторах Тэватрона, известных как DZero. Топ-кварки, образующиеся в столкновениях, могут разлетаться в сторону протонного или антипротонного лучей ускорителя. Демина и ее команда открыли, что в сторону протонного луча отправляется больше частиц, чем предсказывает Стандартная модель. Физике за пределами Стандартной модели придется объяснить это расхождение.
Согласно Nature, возможная новая модель была предложена Кристофером Хиллом, теоретиком лаборатории Ферми, который 10 лет назад, еще в 2003 году, предложил модель того, как топ-кварк и его античастица могут придавать массу W- и Z-бозонам, частицам, несущим слабые ядерные силы, ответственные за радиоактивный распад. В работе приводится аналогия некоторых низкотемпературных сверхпроводников, материалов без электрического сопротивления при температуре в несколько градусов выше абсолютного нуля. В некоторых сверхпроводниках электроны образуют пару, связанную вибрациями частиц в материале. Связанные электроны ограничивают расстояние, на котором действует электромагнитная сила вне материала, эффект, который придает эффективную массу фотонам — частицам света, переносчикам дальнодействующей электромагнитной силы, которые в нормальных условиях не имеют веса.
Таким же образом Хилл предположил, что топ-кварки и антитоп-кварки могут образовывать пары по всему космосу, будучи связанными силой, которую переносят пока неизвестные частицы — топ-глюоны.
«Как будто вся Вселенная выступает в роли сверхпроводника», — говорит физик Мэтью Шварц из Гарвардского университета в Кембридже, штат Массачусетс, разместивший данное исследование в Интернете. Шварц полагает, что модель Хилла может также объяснить асимметрию топ-кварков, наблюдаемую на Тэватроне.
Теория, как сообщает Nature, объясняет происхождение массы во всей Вселенной командными усилиями, во-первых, топ-глюона, который может взаимодействовать как с топ-кварком, так и антитопом, давая им вес так же, как сила, связывающая электроны в сверхпроводниках, наделяет ближайшие фотоны весом. Во-вторых, пара топ-антитоп сама по себе могла бы объяснить происхождение массы в остальной Вселенной, в том числе, например, W- и Z-бозонов, переносчиков слабого ядерного взаимодействия. Относительно большая масса, приобретенная W- и Z-частицами ограничивает диапазон действия слабых сил, нарушая симметрию между этой силой и дальнодействующей электромагнитной силой, которая, как считают теоретики, возникает на очень высоких энергиях.
Асимметрии, которая наблюдается на DZero, недостаточно, чтобы привести доказательство существования топ-глюона, но существуют и другие находки, обнаруженные независимыми исследователями на другом детекторе Тэватрона, CDF.
Теорию Шварца легко проверить. Топ-глюон имеет предполагаемую энергию в диапазоне мощнейшего в мире ускорителя частиц — Большого адронного коллайдера — поэтому может быть обнаружен в течение года, считает Шварц. Дмитрий Денисов, представитель DZero, согласен с тем, что результаты сходятся с данными других экспериментов. Однако предостерегает, что стандартная модель физики элементарных частиц настолько сложна, что трудно описывается уравнениями. Наблюдаемая асимметрия топ-кварках сравнивается с несовершенным суррогатом настоящей стандартной модели, поэтому предполагаемое расхождение вполне может быть вызвано неопределенностью модели.
Команда исследователей, работающая с детектором БАК Compact Muon Solenoid, сообщила 21 июля, что не видит никаких доказательств асимметрии топ-кварка. Но Шварц отмечает, что на БАК асимметрию увидеть сложнее, чем на Тэватроне, потому что БАК начинает с изначально симметричной настройки: сталкивает протонный луч с другим пучком протонов. Поэтому сложно разглядеть, выбирает ли топ-кварк одно из направлений.
