Новости науки 14.07.02. Последние дни Стандартной Модели?
Стандартная Модель -- теоретическая конструкция в физике элементарных
частиц, успешно описывающая все экспериментальные эффекты в высокоэнергетических
сильных, слабых и электромагнитных взаимодействиях. Точнее, так
можно было сказать еще пару лет назад. В последние же годы стали
все чаще и чаще появляться экспериментальные данные, свидетельствующие
о наличие в Стандартной Модели серьезных "неувязок".
Стандартную Модель, несмотря на все ее успехи, конечно же, никто
не воспринимает как последнее слово физики элементарных частиц.
Однако многолетние прямые поиски "чего-то нестандартного"
(новых частиц, дополнительных пространственных измерений и т.п.)
пока не увенчались успехом.
В последние годы, однако, все чаще и чаще стали появляться интересные
результаты непрямых, косвенных проверок Стандартной
Модели. В отличие от прямых поисков, где эффект -- это, скажем,
открытие новой тяжелой элементарной частицы, отсутствующей в наборе
Стандартной Модели, в косвенных проверках новым эффектом является
наблюдение каких-либо несогласованностей, несостыковок разных экспериментально
наблюдаемых величин друг с другом. Эти несостыковки очень малы,
однако благодаря высокой точности экспериментов, они могут оказаться
статистически вполне значимыми. В результате этого "общий электрослабый
фит" к разнообразным наблюдаемым, однозначно предсказываемым Стандартной
Моделью, оказывается на удивление плохим. В недавнем обзорном докладе
[1] приводятся следующие числа: для 15 степеней свободы хи-квадрат
оказывается равным 29, что дает вероятность чуть более 1% того,
что перед нами -- всего лишь статистический выброс.
Классическим примером такой несостыковки является, например, отличие
значения аномального магнитного момента мюона от теоретических предсказаний
Стандартной Модели. Найденное полтора года назад различие между
теорией и экспериментом вызвало настоящий шквал работ по возможному
открытию суперсимметрии и других расширений Станартной Модели, но
последующий анализ не подтвердил это различие.
С аномальным магнитным моментом мюона, похоже, разобрались. Однако
некоторые другие несостыковки по-прежнему беспокоят физиков.
Взять, к примеру, поиски Хиггсовского бозона. С одной стороны,
сейчас считается, что прямые поиски Хиггса пока не увенчались успехом.
На сегодняшний день считается, что масса Хиггса превышает 114 ГэВ.
В то же время, хиггсовский бозон, если он существует, должен "чувствоваться"
через петлевые поправки к некоторым наблюдаемым величинам. Такие
поправки действительно наблюдаются, и если они связаны с хиггсовским
бозоном, то через них можно определить его массу. Оказывается, что
наилучший фит получается, если масса Хиггса 80-100 ГэВ, т.е. ниже
границы прямых поисков! (Самую последнюю информацию по поиску хиггсовских
бозонов см. в недавно вышедшем выпуске Review of Particle Physics
[2])
Эта ситуация проиллюстрирована на Рис.1, где показана величина
хи-квадрат как функция массы Хиггса. Закрашенная светло-серая
область отвечает значениям массы Хиггса, исключенным на основании
отрицательных результатов прямых поисков. Таким образом, если
последующие эксперименты подтвердят это разногласие, мы будем
вынуждены сделать вывод, что перед нами - эффект Новой Физики.
(Во избежание недоразумений сразу оговорюсь: под Новой Физикой
я понимаю не альтернативу Стандартной Модели, а ее расширение.)
Рис.1 Результаты прямого и непрямого поисков хиггсовского
бозона начинают противоречить друг другу.
Ситуация с Хиггсом, безусловно, беспокоящая, но катастрофической
ее назвать, конечно, нельзя. Все-таки пока что речь идет об 1-сигмовом
разногласии. Однако в последнее время появились другие экспериментальные
данные, интерпретация которых в рамках одной только Стандартной
Модели натыкается на 3-сигмовых разногласия.
Одна из таких проблем -- величина forward-backward асимметрии
AbFB в рождении b-анти-b пар "на Z-пике"
в электрон-позитронных столкновениях. Год назад экспериментальные
результаты этой асимметрии шли ниже предсказаний Стандартной Модели
более, чем на 3 сигмы! См. обсуждение этой проблемы в [3]. В этом
году были представлены новые данные ALEPH [4], которые слегка
сгладили проблему, так что эта асимметрия отличается от предсказаний
Стандартной Модели "всего" на 2.6 сигм. Но тем не менее, до окончательного
понимания, в чем тут дело, пока далеко.
Нельзя не отметить и недавний результат коллаборации NuTeV: измерение
угла Вайнберга -- важнейшего параметра электрослабой модели --
из сравнения заряженных и нейтральных токов в реакциях, вызываемых
нейтрино и антинейтрино (см. наш комментарий
к статье hep-ex/0205080.) Величина квадрата синуса этого угла
отличается от усредненных мировых данных на 3 сигмы.
Несостыковки Стандартной Модели могут быть проявляться в самых
неожиданных величинах. Достаточно вспомнить, например, недавний
почти парадоксальный вывод о возможной неунитарности матрицы кваркового
смешивания. Если
обнаруженная аномалия в самом деле имеет место, то это скорее
всего означает не фундаментальное нарушение унитарности матрицы
рассения, а наличие какого-то нового эффекта в слабых взаимодействиях,
который мы, в силу своего незнания, пытаемся включить в матрицу
Кобаяши-Маскавы. Так или иначе, подтверждение этой аномалии окажется
фактически открытием физики вне Стандартной Модели.
Какой вывод можно сделать в этой ситуации? С одной стороны, обсуждаемые
здесь эффекты имеют статистическую значимость 2-3 сигмы. Опыт
учит нас, что подобные эффекты возникают в экспериментальной физике
достаточно регулярно, так что никаких окончательных выводов делать
из этого не следует. Однако я хочу подчеркнуть: мы здесь говорим
не об одном, а о целом наборе трех-сигмовых экспериментов в
электрослабом секторе, что, согласитесь, меняет дело. Складывается
ощущение, что мы не можем пока получить мощный много-сигмовый
эффект в каком-то одном эксперименте, однако Природа то там, то
тут делаем нам намеки.
Означает ли вся совокупность трудностей с описанием данных, возникшая
перед Стандартной Моделью, что мы в самом деле нащупали границы
ее применимости? Окончательного ответа пока нет. Однако, просматривая
экспериментальные статьи, я только сегодня вдруг осознал, что
положительный ответ на этот вопрос встречается не только в статьях
теоретиков-смельчаков, но и в обзорных докладах экспериментаторов
[1].
Ссылки:
[1] Hugh E. Montgomery,XXXVIIi Rencontres de Moriond: Electroweak
2002 Conference Summary
[2] 2002 Review of Particle Physics, K. Hagiwara et al.,
Phys. Rev. D66 (2002) 010001.
[3] Michael S. Chanowitz, The Z ->anti-b b decay asymmetry:
lose-lose for the Standard Model, Phys.Rev.Lett. 87 (2001) 231802
.
[4] V. Ciulli, AFB(b) Status of Results.
|