Обнаружена элементарная частица, которая может оказаться переносчиком нового фундаментального взаимодействия.

В течение последних трех лет физики из института ядерных исследований Венгерской академии наук проводили эксперименты по поиску темных фотонов – аналога обычных фотонов, отвечающих за взаимодействие между частицами темной материи. Они обстреливали протонами мишень из лития-7, получая в результате столкновений нестабильные ядра бериллия-8, которые затем испытывали радиоактивный распад, испуская пары электронов и позитронов. При этом исследователи обнаружили аномалию разлета этих частиц, которую объяснили тем, что бериллий испускает сначала промежуточную частицу – новый легкий бозон с массой около 17 мегаэлектронвольт (всего в 34 раза тяжелее электрона). Они предположили, что, скорее всего, это и есть искомый темный фотон, о чем и сообщили в статье, опубликованной в январе 2016 года в журнале  Physical Review Letters. 

Электрон-позитронный спектрометр в венгерском институте ядерной физики, использованный в исследовании.

Работа не привлекла особого внимания, поскольку в последние годы был опубликован ряд статей с неподтвержденными пока утверждениями. Но ситуация кардинально изменилась в конце апреля, когда на сервер Arxiv выложили свою работу физики-теоретики из университета Калифорнии. В ней они высказали сенсационную гипотезу, что результат венгерских физиков, возможно, связан с новым, пятым, видом фундаментальных взаимодействий. 

Напомним, что на сегодняшний день известно четыре фундаментальных взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Однако в последнее десятилетие ведется интенсивный поиск новых сил, что связано с неспособностью современной теории микромира, Стандартной модели, объяснить темную материю – невидимое вещество, которое, как полагают, составляет более 80% массы Вселенной. Теоретики предлагают на эту роль различные экзотические частицы, в том числе, и темные фотоны.

Проанализировав данные венгерских физиков, их коллеги из Калифорнии пришли к выводу, что обнаружен не темный фотон, а переносчик нового фундаментального взаимодействия, который они назвали «бозон Х». Характерный масштаб действия новой силы – 12 фемтометров (1 фм = 10^-15  м), что соответствует нескольким атомным ядрам и превышает радиусы действия сильного и слабого взаимодействий. В соответствии с разработанной моделью новый бозон должен взаимодействовать с верхним и нижним кварками и электроном, а взаимодействие с протоном должно быть значительно меньше, чем с нейтроном («протофобия»). По мнению авторов гипотезы, она не противоречит имеющимся экспериментальным данным и, возможно, позволит объяснить пока еще непонятные результаты, например, несоответствие между прогнозируемым и измеренным значениями аномального магнитного момента мюона. 

Гипотеза сразу же вызвала бурную дискуссию. Уже через четыре дня ее обсудили участники семинара в Национальной ускорительной лаборатории SLAC (США). Большинство физиков отнеслись к ней скептически, однако признали, что она очень интересна и несомненно заслуживает проверки в течение ближайшего года. На прошлой неделе об этом сообщил журнал Nature.

В ближайшее время гипотезу попробуют проверить в эксперименте DarkLight («Темный свет») в лаборатории Джефферсона (США), также предназначенного для поиска темных фотонов, в эксперименте LHCb на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе,  в итальянском Национальном институте ядерной физики (INFN) и в новосибирском Институте ядерной физики имени Г.И. Будкера (Россия).

По материалам журнала Nature