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 A^b_FB 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 (см. наш комментарий к статье hep-ex/0206058 в еженедельных обзорах hep-ex). 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, hep-ex/0207002.

[2] 2002 Review of Particle Physics, K. Hagiwara et al., Phys. Rev. D66 (2002) 010001. Все свободно доступно онлайн на сайте Gauge and Higgs bosons.

[3] Michael S. Chanowitz, The Z ->anti-b b decay asymmetry: lose-lose for the Standard Model, Phys.Rev.Lett. 87 (2001) 231802, hep-ex/0104024.

[4] V. Ciulli, AFB(b) Status of Results, hep-ex/0206039.

перейти к началу страницы