Коллайдер
Шрифт:
Если механизм Хиггса верен, от соответствующего поля должна была остаться своя элементарная частица. Из-за ее массы, которая больше чем в сто раз превосходит массу протона, сидящего в ядре водородного атома, ее можно надеяться увидеть только в бурных процессах, какими являются высокоэнергетические столкновения частиц. Но после десятков лет поисков этот ключевой ингредиент электрослабой теории пока так и не найден. Как-то незаметно неуловимая божественная частица превратилась в святой Грааль современной физики.
Если забыть про ненайденный «хиггс», теория электрослабого объединения успешно доказала свое право на существование. Ее значение так велико, что ее даже называют Стандартной моделью. Однако, к большому разочарованию всего физического сообщества, попытки объединить электрослабое взаимодействие с оставшейся парой сил плодов до сих пор не принесли.
Теории электрослабых и сильных взаимодействий
Физикам, дорожащим точностью, не мог не полюбиться шедевр самого Эйнштейна - общая теория относительности. Она объясняет гравитацию во всех деталях и, в отличие от теорий остальных взаимодействий, дает не вероятностное, а детерминированное описание. Кроме того, в теории Эйнштейна пространство и время оставили свою роль фоновых координат и стали полноправными участниками физических процессов. Ученые не опускают рук, но пока нет общепринятого способа примирить гравитацию и квантовую механику. Это как пытаться настроить на победу команду, отправляющуюся на олимпиаду по лингвистике, и вдруг обнаружить, что один из четырех игроков, признанный эксперт в своей области, говорит на никому не понятном языке.
У ученых куда-то затерялся один из элементов мозаики. Из четырех фундаментальных взаимодействий два, слабое и электромагнетизм, явно подходят друг к другу. Сильное взаимодействие тоже не выглядит третьим лишним, но еще никто до конца не знает, с какой стороны его пристроить. А вот гравитация будто попала сюда совсем из другой коробки. Как же нам воссоздать первоначальную симметрию Космоса?
Современной физике известны и другие случаи асимметрии. Так, например, разница в количестве материи и антиматерии (она напоминает материю, но противоположно заряжена) - первой во Вселенной намного больше. Или существенные различия в поведении фермионов (из них состоит материя) и бозонов (они переносят взаимодействия). Как Монтекки и Капулетти, фермионы и бозоны принадлежат к разным семьям со своим набором традиций. Собираясь вместе, они ведут себя по-разному: фермионам всегда нужно больше места. Попытки примирить два семейства привели к гипотезе великого вселенского союза под названием суперсимметрия. Она требует, чтобы у каждого члена одной семьи был родственник в другой. Эти суперсимметричные пары, возможно, помогут решить одну из главных астрономических головоломок: почему галактики двигаются так, будто в них больше массы, чем нам кажется? Может быть, вся или почти вся темная материя состоит из этих самых суперсимметричных частиц? В любом случае, их никто никогда не видел, и ученым еще предстоит их найти.
Такие нестыковки и парадоксы раззадоривают человеческий ум. Нам хочется услышать от науки полноценный рассказ, а не прерываться на самом интересном месте. Если нам по-прежнему не ясно, чем все закончится, наверное, стоит подключить фантазию, хотя вот физикам-теоретикам на фантазию жаловаться не приходится. За любой научной загадкой увивается целый рой возможных объяснений, правдоподобных и не очень.
Особенно поражают воображение сравнительно недавние теоретические изыскания, в которых предлагается заменить элементарные частицы вибрирующими энергетическими нитями или мембранами. Первыми занимается теория струн, а вторыми - М-теория. Привлекая суперсимметрию или дополнительные измерения вдобавок к обычным пространству и времени, в рамках этих схем теоретики дают красивое объяснение некоторым различиям между гравитацией и остальными взаимодействиями. Новые теории удобнее с математической точки зрения: раньше некоторые вычисления, если их провести в отношении точечных частиц, давали бессмысленный результат, а со струнами и мембранами конечных размеров эти проблемы исчезают. Общеизвестно, какие большие трудности возникают при попытках расширить Стандартную модель
Есть у струнной и М-теорий и противники. Они подвергают сомнению физическую состоятельность новых подходов, содержащих неизвестные величины и требующих скрытых измерений. Во множестве всевозможных комбинаций наш реальный мир представлен какой-то частью, которая, в свою очередь, сама включает массу возможностей. Если в теории достаточно много свободных параметров, утверждают оппоненты, ею можно объяснить практически любую частицу или взаимодействие. Это то же самое, как если бы писатель, решивший уподобиться Диккенсу, накропал бы десятки тысяч страниц сомнительной прозы и поручил бы редактору нарезать из них роман английского классика. Перефразировав знаменитое изречение Трумана Капоте «Это машинопись, а не литература», оппоненты теории струн могли бы сказать: «Это подгонка, а не физика».
Но даже самые пылкие сторонники и ярые противники сходятся в одном: судьей любой теории, в конечном итоге, является эксперимент. Правда, до сих пор ни струнная, ни М-теория такой роскошью не располагают. Видный теоретик Брайс Девитт как-то мне сказал: «Я чувствую себя немного виноватым перед студентами которые хотят заниматься М-теорией. Ведь там нет ни капли опытных доказательств ее справедливости»3.
В период с 30-х до середины 90-х гг. XX в. физика элементарных частиц сильно продвинулась вперед благодаря экспериментам по столкновению частиц высоких энергий на разных типах ускорителей. Ускоритель - это прибор, в котором частицы (скажем, протоны), направляемые электрическими и магнитными полями, летают по кольцу или другой траектории и разгоняются до все больших и больших энергий. Затем они сталкиваются, а их энергия превращается в целый ливень осколков. Как следует из соотношения Эйнштейна, чем больше энергия при столкновении, тем вероятнее рождение тяжелых частиц. В старых ускорителях использовались неподвижные мишени, но физики осознали, что лобовое столкновение позволит выжать гораздо больше энергии. Ускорители, в которых частицы налетают друг на друга лоб в лоб, называются коллайдерами (от англ. collide– «сталкиваться»).
В те переломные десятилетия исследователи, собирая и обрабатывая данные столкновений с помощью разнообразных детекторов, открыли целый «зоопарк» элементарных частиц. Надо было всех их каким-то образом разбить на семейства и понять, как они распадаются и взаимодействуют. И крупные теоретические успехи не заставили себя ждать. Для объяснения данных предлагались свежие теории, которые затем проверялись в новых экспериментах. В итоге, будучи подтвержденными на опыте, некоторые теории переставали быть чисто умозрительными, а физическое сообщество начинало к ним прислушиваться. После проверки они словно восклицали: «А мы что говорили!»
Взять хотя бы элементарный кирпичик под названием топили t-кварк [1] . Предсказанный в 70-х гг., он был обнаружен в 1995 г. при обработке столкновений на тогда самом внушительном ускорителе в мире, «Теватроне» Национальной ускорительной лаборатории им. Ферми («Фермилабе») в Батавии, штат Иллинойс. На «Теватроне», официально запущенном в 1983 г., потоки протонов и антипротонов (отрицательно заряженных частиц, являющихся для протонов антиматерией) разгоняются до энергий около 1 ТэВ (одного тераэлектронвольта) и врезаются друг в друга. Один электронвольт - это энергия, затрачиваемая на перенос одного-единственного электрона или протона между клеммами одновольтовой батарейки. Умножьте эту величину на миллиард, и как раз получится 1 ТэВ - для миниатюрных элементарных частиц энергия колоссальная.
1
Его же иногда называют истинным кварком.
– Прим. пер.
Как впоследствии оказалось, на топ-кварке - последнем крупном открытии на «Теватроне» - череда ярких научных завоеваний в физике высоких энергий прервалась на неопределенно долгое время. Чтобы найти «хиггс», разыскать суперсимме-тричных двойников, а также для решения других важных задач требовались все-таки более серьезные энергии, чем мог предложить этот немаленький прибор. А за отсутствием экспериментальной базы хор конкурирующих между собой теорий разразился режущей слух какофонией. Как вернуть теоретическую физику в хорошее расположение духа, разрешить спор между альтернативными идеями и услышать голос истины? Выход был один - построить более мощные коллайдеры.