Выдержат ли самые тяжелые частицы испытание Эйнштейном? Проверяя основы мироздания: топ-кварки под прицелом теории относительности

Физики Большого адронного коллайдера (БАК) провели самую точную на сегодняшний день проверку одного из краеугольных камней современной физики — специальной теории относительности Эйнштейна. Используя самые тяжелые из известных элементарных частиц, топ-кварки, исследователи искали малейшие признаки того, что законы природы могут зависеть от того, в какую сторону мы движемся. Результат оказался ожидаемым, но от этого не менее важным: фундамент мироздания остается незыблемым, а точность измерений достигла новых высот.

Лоренц-симметрия: почему физики проверяют то, что «и так работает»

В основе теории относительности лежит принцип лоренц-симметрии. Это математическое утверждение о том, что физические законы одинаковы для всех наблюдателей, независимо от их скорости и ориентации в пространстве. Иначе говоря, эксперимент, проведенный на Земле, должен дать тот же результат, что и аналогичный опыт в ракете, летящей к Марсу. Этот постулат подтверждался тысячами экспериментов, но некоторые современные теории, пытающиеся объединить квантовую механику с гравитацией (например, теория струн), допускают, что на сверхмалых масштабах или при экстремальных энергиях симметрия может нарушаться.

Топ-кварки как идеальный «детектор» нарушений

Почему для поиска столь тонких эффектов выбрали именно топ-кварки? Ответ кроется в их массе. Топ-кварк — самая тяжелая элементарная частица, его масса сопоставима с массой атома золота. Такая колоссальная энергия делает его чрезвычайно чувствительным к любым «неполадкам» в структуре пространства-времени. Если бы лоренц-симметрия нарушалась, это с наибольшей вероятностью проявилось бы в поведении именно этой частицы. Ученые из коллаборации CMS рассуждали так: если законы физики зависят от направления, то скорость рождения пар топ-кварков должна меняться в течение суток. Вращаясь вместе с Землей, детекторы БАК меняют свою ориентацию относительно гипотетического «выделенного» направления во Вселенной.

Как искали «трещину» в реальности

Группа проанализировала данные столкновений протонов, собранные в 2016 и 2017 годах. Ученые сравнили количество рожденных топ-кварков в разное время суток (по звездному времени, чтобы исключить влияние вращения Земли вокруг Солнца). Они искали синусоидальные колебания в частоте появления частиц, которые указывали бы на зависимость от направления. После тщательной обработки данных и учета всех возможных погрешностей, никаких статистически значимых отклонений обнаружено не было. Лоренц-симметрия выдержала проверку на самом высоком энергетическом рубеже.

Это исследование, опубликованное в журнале Physics Letters B, не стало сенсацией, но оно установило новые, более жесткие ограничения на параметры так называемой Стандартной модели-расширения (SME). Теперь ученые знают, что если нарушение лоренц-симметрии и существует, оно еще слабее, чем предполагалось ранее. Работа CMS — это не просто подтверждение старого, а совершенствование инструментария для будущих открытий. Полученные методики и уточненные пределы параметров позволят продолжить поиски «новой физики», изучая поведение бозона Хиггса и других тяжелых частиц. Физика не стоит на месте: каждый отрицательный результат — это тоже шаг вперед, сужающий круг поисков истинного устройства Вселенной.