Вчені шукають загадкові примарні частинки, які стануть проривом у вивченні Всесвіту

На думку низки видатних фізиків, значну частину навколишнього світу становлять загадкові "примарні" частинки, виявлення яких могло б значно наблизити нас до розуміння істинної природи Всесвіту.

Сама ця ідея не нова, проте тепер вчені, здається, знайшли спосіб перевірити свою теорію експериментально.

Керівництво Європейської організації з ядерних досліджень (ЦЕРН) схвалило експеримент, який допоможе довести існування таких частинок.

Прилад, який дозволяє здійснити цей експеримент, за чутливістю перевершує усі наявні аналоги у понад тисячу разів.

Для виявлення "примар" частинки планують не зіштовхувати одна з одною (як це відбувається в Великому адронному колайдері), а розбивати об нерухому тверду поверхню.

Що таке примарні частинки

Тож що це за примарні частинки і чому для їхнього виявлення знадобився спеціальний метод?

На сьогодні вважають, що вся фізика елементарних частинок укладається у так звану Стандартну модель.

Відповідно до цієї теорії, відомий нам матеріальний Всесвіт складається усього лише з 17 видів частинок - як добре відомих (наприклад, електрон або бозон Гіггса), так і менш знаних, які, проте, мають дивовижні найменування - зачаровані кварки, глюони і тау-нейтрино.

Деякі з них можуть об'єднуватися (в різних комбінаціях), утворюючи при цьому трохи більші, але все ж крихітні за розміром частинки, з яких і складається весь навколишній світ - включно із зірками у найвіддаленіших відомих галактиках. Інші відповідають за поведінку частинок і їхню взаємодію одна з одною.

Проблема в тому, що результати деяких експериментальних спостережень (наприклад, за рухом галактик) переконливо свідчать: весь відомий нам матеріальний Всесвіт становить лише близько 5% від його загальної маси.

Решта Всесвіту може частково (або навіть цілком) складатися з "примарних" або "прихованих" частинок, які зазвичай вважають фантомними двійниками 17-ти частинок Стандартної моделі.

Якщо вони дійсно існують, виявити їх неймовірно складно, оскільки вони дуже рідко взаємодіють із відомим нам матеріальним світом. Подібно до привидів, вони легко проходять крізь будь-які матеріальні об'єкти, і їх не можуть зафіксувати земні прилади.

Втім, згідно з однією з версій у рамках тієї самої теорії, у дуже рідкісних випадках примарні частинки можуть розпадатися на частинки Стандартної моделі, які вже можна вловити наявними детекторами. Новий інструмент значно підвищує ймовірність виявлення таких розпадів за рахунок багаторазового збільшення кількості зіткнень.

Замість того, щоб зіштовхувати групи розігнаних частинок одна з одною, як це відбувається у більшості сучасних експериментів, їх планують розбивати об нерухому тверду поверхню так, щоб на дрібніші фрагменти розліталися всі частинки, а не тільки деякі з них.

Переваги такого підходу (його зазвичай позначають абревіатурою SHiP) видно на малюнку нижче.

Один з керівників проєкту, професор Імперського коледжу Лондона Андрій Голутвін запевняє, що цей експеримент "знаменує собою нову еру у пошуку прихованих частинок".

"Новий експеримент надає унікальну можливість вирішити відразу кілька основних проблем фізики елементарних частинок, і у нас є шанс виявити частинки, які раніше нікому зафіксувати не вдавалося", - пояснює він.

Полювання за примарами потребує спеціального обладнання.

Під час звичайних експериментів (наприклад, на Великому адронному колайдері) нові частинки можна виявити на відстані до одного метра від місця зіткнення. Однак примарні частинки можуть залишатися непоміченими і долати десятки або навіть сотні метрів, перш ніж почнуть розпадатися і хоч якось виявлять себе. Тому під час нового експерименту детектори будуть розташовуватися набагато далі.

"Досліджуємо невідомий ландшафт"

Професор Імперського коледжу Мітеш Патель вважає новий підхід справді геніальним.

"Що мене в цьому експерименті дійсно захоплює, так це те, що приховані частинки розташовані у нас прямо під носом, але побачити їхню взаємодію (або скоріше її відсутність) ми ніяк не можемо", - пояснює він.

"Ми досліджуємо абсолютно невідомий ландшафт і віримо, що зможемо побачити щось цікаве. Потрібно лише як слід придивитися", - додає вчений.

За словами співробітниці ЦЕРН Клаудії Ахдіди, новий експеримент (SHiP) проведуть на базі вже наявних об'єктів ЦЕРН.

"Ми будемо використовувати вже прориті тунелі, - запевняє вона, - і взагалі постараємося максимально використовувати наявну інфраструктуру, щоб створити інструмент, який допоможе нам відшукати цей прихований сектор", - каже вона.

Передбачувана вартість запланованого Майбутнього кільцевого колайдера, МКК (Future Circular Collider, FCC) оцінюють у 15 млрд євро. Почати роботу він має до середини 2040-х, але вийде на пік свого потенціалу не раніше 2070-го.

Але пошук нових частинок методом SHiP може початися вже в 2030 році й коштуватиме приблизно в сто разів дешевше.

Дослідники мають намір спробувати усі можливі підходи для виявлення частинок, які, за їхніми словами, призведуть до одного з найбільших і найбільш проривних відкриттів в історії фізики.