Все новости

В CERN впервые увидели, как столкновения фотонов порождают W-бозоны

Благодаря этому физики могут изучать взаимодействия между частицами-переносчиками электрослабых сил
Описание
© EPA/MARTIAL TREZZINI

ТАСС, 5 августа. Физики из проекта ATLAS, которые работают с одноименным детектором Большого адронного коллайдера (БАК), обнаружили первые следы частиц света, которые порождают так называемые W-бозоны. В этом процессе, в отличие от других на БАК, участвуют только частицы-переносчики электрослабых взаимодействий. Об этом пишет пресс-служба CERN.

"Это открытие дает нам возможность использовать БАК в совершенно новом ключе. Подобные наблюдения уникальны, поскольку в этих процессах участвуют только частицы-переносчики электрослабых взаимодействий, тогда как все остальные реакции в коллайдере связаны с сильными взаимодействиями. Когда мы накопим больше данных, то сможем очень точно изучить взаимодействия между переносчиками электрослабых сил и начнем искать в этих процессах "новую физику"",– прокомментировал официальный представитель ATLAS Карл Якобс.

Классические законы физики говорят о том, что одиночные частицы света, фотоны, не должны взаимодействовать между собой. То есть если они пролетят друг через друга, то никаких последствий при этом не будет. В середине прошлого века, с развитием квантовой физики, эти представления пошатнулись и ученые осознали, что на самом деле фотоны могут прямо или косвенно взаимодействовать друг с другом благодаря так называемой поляризации вакуума.

В частности, законы квантовой физики указывают, что при взаимодействии частиц света образуются две "виртуальных" частицы, электрон и позитрон. Практически сразу же они взаимоуничтожаются, благодаря чему образуются новые фотоны. Кроме того, теория допускает, что частицы света могут сталкиваться напрямую, без участия этих "виртуальных" частиц. При этом они обмениваются уже известными и, возможно, неизвестными бозонами, переносчиками фундаментальных взаимодействий.

Большой фотонный коллайдер

Физики давно считали, что это возможно на практике, так как на это указывают аномалии в поведении фотонов внутри сильных магнитных полей. Они заставляют частицы спонтанно расщепляться на пары фотонов или "отскакивать" от ядер атомов. Однако проверить эту теорию на практике до недавнего времени было невозможно. Это стало возможно только в 2017 году, когда участники проекта ATLAS зафиксировали первые следы столкновений внутри БАК.

Недавно Якобс и его коллеги открыли первые следы очень редкого процесса, который связан с взаимодействиями частиц света. По ходу этого процесса сталкиваются два виртуальных фотона, которые возникают в результате движения разогнанных протонов по кольцу БАК. Из-за этого столкновения формируются пары противоположно заряженных W-бозонов. Они возникают словно из ниоткуда, так как породившие их фотоны существуют очень недолго.

Эти бозоны – очень тяжелые частицы, они отвечают за перенос так называемых слабых взаимодействий. Так ученые называют силы, которые управляют поведением субатомных частиц, электронов и нейтрино, а также различными внутренними процессами внутри атомов, в том числе их бета-распадом. Переносящие эти взаимодействия W-бозоны были открыты в 1983 году на ускорителе SPS, который впоследствии стал одним из компонентов БАК.

Участники ATLAS, как отмечает Якобс, начали замечать намеки на превращения пар фотонов в W-бозоны еще во время первого цикла работы БАК. Однако тогда они не успели накопить достаточно статистики для того, чтобы отделить порождаемый ими сигнал от других процессов, которые происходят внутри коллайдера. Эту задачу физики решили во время второго этапа работы ускорителя, который закончился в декабре 2018 года.

Открытие подобных взаимодействий, как отмечают ученые, подтверждает одно из ключевых предсказаний теории электрослабых взаимодействий. Оно указывает на то, что переносчики этих сил должны взаимодействовать друг с другом. Дальнейшие наблюдения, которые Якобс и его коллеги хотят начать вести после перезапуска БАК весной 2021 года, помогут понять, совпадает ли характер этих взаимодействий с предсказаниями теории, что важно с точки зрения поисков следов "новой физики".