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

А вы когда-нибудь задумывались, что лежит в основе нашего понимания Вселенной? Поверьте, это не только загадки черных дыр и далеких галактик, но и весьма конкретные, хоть и незаметные в повседневной жизни, частицы. В самом сердце физики элементарных частиц, словно два кита, на которых держится Стандартная модель, стоят квантовая механика и специальная теория относительности Эйнштейна. И вот, недавно, ученые из коллаборации CMS, работающие на Большом адронном коллайдере, решили проверить, а все ли в порядке с этими столпами? На этот раз под прицелом оказались топ-кварки — самые массивные из известных элементарных частиц.

Что такое лоренц-симметрия, и почему она так важна?

В основе специальной теории относительности лежит принцип, который ученые называют лоренц-симметрией. Звучит сложно, но на самом деле суть проста: физические законы, которые мы наблюдаем, не должны меняться в зависимости от того, как мы смотрим на них, и с какой скоростью двигаемся. То есть, проводите ли вы эксперимент, повернувшись лицом на север или на юг, двигаетесь ли вы со скоростью пешехода или несётесь на ракете — результаты должны быть одними и теми же.

Этот принцип, не раз подтвержденный на практике, кажется незыблемым. Однако, некоторые теории, особенно в области, где квантовая механика встречается с гравитацией (например, теории струн), предсказывают, что при очень высоких энергиях лоренц-симметрия может «дать трещину», и наблюдаемые эффекты начнут зависеть от ориентации эксперимента в пространстве-времени.

Почему именно топ-кварки?

И вот тут-то в игру вступают топ-кварки. Почему именно они? А потому что они самые тяжелые элементарные частицы, которые мы знаем, и они являются своего рода «полигоном» для проверки самых экстремальных физических теорий. Если бы нарушение лоренц-симметрии существовало, то оно, возможно, проявилось бы именно в их поведении.

Чтобы понять, как именно ученые искали это нарушение, давайте вспомним, как работает БАК. Протоны разгоняются до огромных скоростей и сталкиваются друг с другом. При этих столкновениях образуются самые разные частицы, в том числе и пары топ-кварков. И вот, если бы лоренц-симметрия была нарушена, то скорость, с которой эти пары топ-кварков рождались бы, не была бы постоянной. Она менялась бы в зависимости от времени суток, потому что вместе с вращением Земли меняется и ориентация протонных пучков в БАК и, соответственно, направление, в котором разлетаются топ-кварки.

Результаты и что они значат для нас

Но, как оказалось, нет. Коллаборация CMS не обнаружила никаких колебаний в скорости рождения топ-кварков, которые можно было бы связать с временем суток. Это означает, что пока все в порядке: лоренц-симметрия не нарушена, а специальная теория относительности Эйнштейна продолжает оставаться верной.

Честно говоря, это не то открытие, которое потрясло бы мир. Скорее, это еще одно подтверждение надежности фундаментов современной физики. Но это не значит, что исследование было бесполезным. Во-первых, оно позволило ученым уточнить пределы параметров, которые, по идее, должны быть равны нулю, если симметрия выполняется. А во-вторых, это лишь начало большого пути.

Исследование, проведенное CMS, — это не только про подтверждение старых теорий. Это также и шаг в будущее. Полученные результаты позволяют нам лучше понять, как именно тестировать самые фундаментальные законы природы. Теперь у ученых есть более точные инструменты, и они могут искать нарушения лоренц-симметрии не только в поведении топ-кварков, но и других тяжелых частиц, например, бозона Хиггса и W- и Z-бозонов.

В чём же дело? В том, что физика — это не просто сборник готовых ответов. Это постоянное стремление к знаниям, готовность ставить под сомнение даже самые, казалось бы, непоколебимые истины, и желание узнать, как на самом деле устроен наш мир. И, кто знает, возможно, когда-нибудь мы все же наткнемся на тот самый «треск» в ткани реальности, который изменит наше представление о Вселенной.