У природі існують чотири фундаментальні види взаємодії між матерією – електромагнітна, гравітаційна, сильна і слабка (останні дві сили пов’язують частинки в атомних ядрах). Тепер угорські фізики отримали свідчення, які гіпотетично можуть вказувати на п’ятий, невідомий науці.
Угорські фізики стверджують, що саме цей пристрій - електрон-позитронний спектрометр - в Інституті ядерних досліджень в Дебрецені міг виявити п'яту силу природи.
Головний автор дослідження Аттіла Краснагоркаї з Інституту ядерних досліджень Угорської академії наук в Дебрецені та його колеги повідомили про дивовижний феномен у статті на сервері препринтів arXiv ще у 2015 р. Після рецензування статтю опублікували в січні цього року в журналі Physical Review Letters. У ній йшлося про можливість існування нового виду бозонів, який лише в 34 рази важчий за електрон. Але кілька місяців стаття була загалом непоміченою в науковій спільноті.
Згодом до дослідження угорців привернула більше уваги група фізиків зі США, опублікувавши власний аналіз їх даних. Американці довели, що результати експерименту не суперечать попереднім даним, а також припустили, що гіпотетичний бозон може бути носієм п’ятої фундаментальної взаємодії. Для обговорення результатів на початку травня Джонатан Фенґ, фізик-теоретик з Каліфорнійського університету в Ірвіні та провідний науковець цієї групи, організував робочу панель в Національної лабораторії з прискорення частинок SLAC у Менло-Парку (Каліфорнія). Хоча більшість науковців налаштовані скептично до можливості відкрити п’яту силу природи, проте усі вони одностайні в тому, що результати угорської команди заслуговують серйозної уваги та ретельної перевірки.
Питання про те, що, окрім електромагнітної, гравітаційної, сильної та слабкої, можуть існувати ще й інші види взаємодії, непокоїть вчених вже не одне десятиліття. Особливої актуальності ця тема набула після того, як стала появлятися дедалі більша кількість вказівок на існування темної матерії – невидимої субстанції, яка, переконанням науковців, становить 80% маси Всесвіту. Теоретики висувають різні версії того, які саме елементарні частинки можуть бути атомами темної матерії. Зокрема, найчастіше говорять про так звані «темні фотони», які, як і звичайні фотони, є носіями електромагнітної взаємодії.
Саме такі темні фотони спочатку хотіла знайти команда Краснагоркаї. Однак, можливо, їм вдалося знайти дещо інше, – переконаний Дж. Фенґ. У своєму експерименті фізики бомбардували протонами тонку плівку літію-7. Як наслідок, утворювалися нестабільні ядра радіоактивного берилію-8, які одразу розпалися, емітуючи електрон-позитронні пари. З теорії випливає, що зі зростанням кута, який розділяє траєкторії електронів та позитронів, експериментатори мали б спостерігати щораз менше таких пар. Але коли кут досягнув 140º, сталось щось дивовижне: кількість спостережуваних пар раптово зросла. Коли кут і надалі збільшували, їх частота, як і годиться, зменшилась. Кількаразове повторення експерименту щораз показувало одне й те саме значення кута – 140º.
Красногоркаї вважає, що це сильний доказ того, що протягом дуже короткого періоду нестабільні ядра берилію-8 емітують надлишок енергії у вигляді нової частинки, яка розпадається на електрон-позитронну пару. Фізики навіть обчислили її масу-енергію та отримали результат 17 МеВ. Вчені напрочуд ретельно підійшли до експерименту та усунули усі фактори, які могли б вплинути на результат. Ймовірність похибки, за їх словами, становить усього 1 до 200 млрд.
Проаналізувавши результати експерименту, Джонатан Фенґ дійшов висновку, що гіпотетична частинка не може бути «темним фотоном». Натомість вона радше є «бозоном Х», який переносить якусь невідому силу на дуже малих відстанях, які у декілька разів менші за діаметр атомного ядра. І якщо «темний фотон», як і звичайний фотон, утворює квантову пару з електронами і протонами, то «бозон Х» – з електронами і нейтронами. Фенґ каже, що його група на даний час розглядає інші види частинок, які можуть пояснити аномалію, проте саме «бозон Х» є найвичерпнішим поясненням.
Вченим, мабуть, не доведеться довго чекати, щоб визначити, чи справді існує частинка з енергією 17 МеВ. Її може виявити, скажімо, експеримент DarkLight в Лабораторії Джефферсона у Ньюпорт-Ньюзі (Вірджинія), що займається пошуком «темних фотонів» з масою 10-100 МеВ, бомбардуючи електронами водневі мішені. За словами директора DarkLight Річарда Мілнера з МІТ, тепер пріоритетом буде значення 17 МеВ. Експерименту достатньо року, щоб знайти гіпотетичну частинку або поставити строгі рамки на її взаємодію зі звичайною матерією.
Новий бозон шукатиме також Великий адронний коллайдер в лабораторії CERN, який досліджуватиме розпад кварків-антикварків, а також два експерименти, які бомбардують позитронами фіксовані мішені, – один в Національній лабораторії ядерної фізики у Фраскатті (Італія), а інша в Інституті ядерної фізики ім. Г. Будкера (Росія).
Попри те, що більшість вчених скептично оцінюють можливість відкриття п'ятої сили природи, вони усі одноголосно виступають за продовження експериментів. Адже в природі вже не раз траплялися дивовижні несподіванки.
Edwin Cartlidge
Has a Hungarian physics lab found a fifth force of nature?
Nature, 25.05.2016
Зреферував Євген Ланюк
08.06.2016