Эксперимент по «туннелированию третьего типа» может привести к новой физике

В попытке решить некоторые наблюдаемые головоломки в физике теоретики предложили ряд новых физических моделей. Некоторые из них предполагают существование крайне слабо взаимодействующих легких частиц с зарядом по абсолютной величине намного меньшим заряда электрона, называемыми минизаряженные частицы (minicharged particles, MCPs). Ограничение массы MCPs могло бы помочь теоретикам уточнить свои модели, однако, до сих пор обнаружение таких частиц связано с большими трудностями. Теперь в своем исследовании физики из Германии предложили новый метод поиска MCPs, основанный на механизме туннелирования третьего типа.

«Общая идея, лежащая в основе рассмотрения MCPs, равно как и других легких и слабовзаимодействующих частиц, заключается в следующем: предполагается, что новые частицы трудно обнаружить, потому что их «прячет» большая масса, но они могут также ускользать, если они легкие, но слабовзаимодействующие, - пояснила Бабет Дебрих (Babette Döbrich), ныне работающая в DESY, Гамбург. – В частности, много теорий, выходящих за рамки Стандартной модели, предсказывают спектр новых частиц с небольшими массами и слабым взаимодействием. При некоторых параметрах они могут объяснить такой феномен, как темная материя и некоторые астрономические загадки. Вкратце, открытие MCPs могло бы помочь нам в определении границ теорий, предлагаемых вне Стандартной модели». Хотя MCPs очень трудно обнаружить из-за слабого взаимодействия, проводится ряд экспериментов по их поиску. В данном случае ученые предложили использовать туннелирование третьего типа, которое так называется потому, что было открыто третьим. Во всех трех известных типах туннелирования квантовая частица проходит через энергетический барьер, чего не может сделать классическая. В первом типе, известном в качестве стандартного квантового механизма туннелирования, это явление происходит благодаря принципу неопределенности, который дает конечную вероятность преодоления квантовой частицей барьера. Во втором типе квантовая частица, которая сильно взаимодействует с барьером и не может его преодолеть (к примеру, фотон), превращается в частицу(ы), которая не взаимодействует с барьером и может легко через него пройти. Этот тип туннелирования иногда называют «свет, видимый через стенку», и он лежит в основе некоторых экспериментов по обнаружению MCPs. В туннелировании третьего типа квантовая частица, которая не может пройти через барьер, превращается в пару виртуальных частиц, которые проходят через барьер перед тем, как превратиться в первоначальную частицу. Этот тип туннелирования был открыт в 2009 г. Холгером Гисом (Holger Gies) и Йоргом Йакелем (Joerg Jaeckel). Они предположили, что при этом туннелировании фотоны превращаются в MCPs, которые могут туннелировать через определенные барьеры и затем превращаться обратно в фотоны. Подобно второму типу туннелирования, этот тип может выглядеть, как «свет, видимый через стенку». Физики в данном изучении теоретически показали, что эксперимент, включающий туннелирование третьего типа, потенциально может обнаружить MCPs с очень маленькими массами, включая и те, что предполагает новая физическая модель. Ключом к такому эксперименту является приложение сильного магнитного поля, которое может значительно увеличить вероятность туннелирования MCPs. В предложенной экспериментальной установке фотон движется к полностью непрозрачной стенке толщиной 1,8 см, позади же стенки располагается детектор фотонов. Стенка устанавливается в канал диаметром 0,28 м, проложенный в соленоиде диаметром 1,2 м, который генерирует магнитное поле с индукцией 5 Тл. Сильное магнитное поле повышает вероятность обнаружения частиц с малой массой. Физики подсчитали, что эта установка должна позволить определить MCP массой порядка 10 ^-7 эВ. Как объяснила Дебрих, обнаружение фотонов за стенкой ясно указывало бы на явление, не вписывающееся в рамки Стандартной модели.

Диаграмма показывает фотон (волнистая линия), проходящий через барьер с промежуточными MCPs (петля частица-античастица). Вероятность туннелирования увеличивается в присутствии магнитного поля

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365