Коллайдер: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

«…Осознав, что моя статья мало цепляет глаз, я ее переделал и добавил туда два новых раздела. В одном из них говорилось о спонтанном нарушении так популярной сегодня (кварковой) симметрии ароматов SU(3). После этого послал ее в “Физикал Ревью Леттерс”… На этот раз статью приняли»¹⁰.

Работа Хиггса дала возможность взглянуть на проблему объединения электромагнитного и слабого взаимодействий в единую теорию с новой стороны. А именно: из четверки частиц-переносчиков, отвечающих за возникновение соответствующих сил, три приобретают массу за счет механизма Хиггса. Переносчик взаимодействия - это бозон, который служит посредником между частицами материи, заставляя их притягиваться, отталкиваться или переходить друг в друга. Чем тяжелее переносчик, тем меньше радиус такого взаимодействия.

Фотон - переносчик электромагнитных сил, действующих на сколь угодно большом расстоянии, - имеет нулевую массу. Кроме того, раз он не меняет заряда взаимодействующих частиц, фотон электрически нейтрален. Что касается слабого взаимодействия, двое из его переносчиков, W⁺ и W^- бозоны[10], имеют заряд и массу - отражение того факта, что слабые силы могут менять заряд и являются короткодействующими. Есть еще третий переносчик, Z-бозон, но он нейтральный. Его существование было предсказано в 1960 г. теоретиком из Гарварда Шелдоном Глэшоу. Впоследствии все три переносчика слабого взаимодействия были обнаружены экспериментально.

Итак, когда к набору известных переносчиков и полей, отвечающих разным типам материи, добавился механизм Хиггса, дело оставалось за «малым» - собрать все кусочки мозаики вместе и свести воедино электромагнетизм и слабое взаимодействие. В 1967 г. американский физик Стивен Вайнберг, работавший тогда в Массачусетском технологическом институте, и пакистанский ученый Абдус Салам из Кембриджа независимо пришли к разумной теории электрослабого объединения. Эта великолепная теория венчает собой десятилетия экспериментальных и теоретических исследований в физике субатомных частиц. Современное ее название Стандартная модель - дань уважения ее величию.

Согласно теоретическим предсказаниям, от того первичного «хиггса» должны были остаться следы, которые можно зарегистрировать. Но почему-то эксперименты, уже несколько десятилетий ведущиеся на подходящих энергиях, пока молчат. Физическое сообщество надеется, что столь долгожданный бозон Хиггса покажется на БАК и последний вопрос к Стандартной модели будет снят с повестки дня.

Ученые, имеющие отношение к БАК, полностью сознают, что Стандартная модель вряд ли все объяснит. С дисбалансом во Вселенной связано слишком много загадок, чтобы считать Стандартную модель истиной в последней инстанции. Поле Хиггса пока не обнаружено, для остальных взаимодействий единая теория еще не построена - неудивительно, что немало физиков сегодня воздерживаются от однозначных утверждений о справедливости Стандартной модели. Хотя эта теория успешно объясняет большинство явлений в мире элементарных частиц, она, как и многие великолепные старинные фрески, не избежала трещин.

В преддверии начала полномасштабных экспериментов на БАК исследователи наряду со Стандартной моделью рассматривают и некоторые ее альтернативы, надеясь, что опыт скажет здесь решающее слово. Скажем, физики-экспериментаторы не удивятся, если бозон Хиггса окажется тяжелее, чем предсказывает Стандартная модель, или если вместо одного бозона на БАК появится целых три его разновидности, как утверждается в определенных теориях. В этом плане экспериментаторы берут пример с хороших акушеров, готовых к любому развитию надвигающихся родов.

Из моделей объединения, взошедших на научную арену в последние десятилетия, наибольшую популярность получила теория струн. В ней роль элементарных кирпичиков природы играют безумно крошечные (порядка планковской длины, 10^-33 см) вибрирующие энергетические нити, а не точечные частицы Стандартной модели. У струн, таким образом, не нулевая протяженность, а конечный, хоть и ненаблюдаемый размер. Это большое математическое преимущество, поскольку все выражения, куда входит обратная длина, из бесконечных становятся конечными. В результате исчезают математические проблемы, которые в стандартной квантовой теории поля встречаются на каждом шагу - отдельные члены в уравнениях стремятся к бесконечности, что затуманивает их физический смысл.

Теорию струн иногда называют Теорией всего сущего (ТВС), поскольку она обещает описать все известные взаимодействия. Возможность избавиться от бесконечностей дает надежду, что эта модель поможет справиться с гравитацией, которую пока никому, включая вдумчивого Эйнштейна, не удалось включить в единую схему. Но есть и те, кто критикует струнную теорию за ее всеядность. Дело в том, что Стандартная модель - это всего лишь один из частных случаев теории струн, но есть и несметное количество других возможностей, подчас далеко не самых реалистичных с физической точки зрения. Поэтому одна из центральных проблем теории струн - выделить единственную ТВС, которая описывает именно нашу Вселенную.

В струнной теории различные поля и частицы - это всего лишь разные режимы, или моды, энергетических колебаний. Чтобы настроить гитару, подтягивают ее струны. Так же и колебания в теории струн меняются с изменением натяжения. Они создают определенный гармонический рисунок вроде того, что мы слышим в музыкальных произведениях. Разные состояния струны обеспечивают различные массы, спины и другие свойства всевозможных кирпичиков природы.

Первоначально теория струн зародилась как модель только сильного взаимодействия. В этой своей версии она относилась только к переносчикам сил, то есть к бозонам. Бозонную теорию струн нечего было даже и думать применять к материи. Последняя, как мы знаем, построена из фермионов. Поэтому теоретикам пришлось поломать голову, чтобы распространить теорию струн помимо переносчиков взаимодействий и на частицы материи. А для этого в струны как-то нужно было включить фермионы.

Чтобы наряду с бозонными струнами описать фермионные, физик Пьер Рамон из Университета Флориды в 1971 г. предложил концепцию суперсимметрии. Идея Рамона о преобразовании, связывающем силы и материю, молниеносно распространилась в физическом сообществе и увлекла теоретиков всех мастей, даже тех, кто относился к струнам скептически. Симметрия, объединявшая бозоны с фермионами, словно знаменовала собой конец неравенству в мире частиц.

Более того, в отличие от традиционных квантовых теорий поля вроде Стандартной модели, суперсимметрия, кажется, готова была взять под свое крыло и гравитацию. Никогда еще за свою историю квантовая физика не стояла так близко к тому, чтобы включить гравитацию в единую теорию поля. Нежданно-негаданно неисполненная мечта Эйнштейна об окончательной теории получила новую жизнь, будто раритетному автомобилю поставили новенький рычащий мотор.

На волне всеобщей эйфории, вызванной суперсимметрией (коротко - просто SUSY[11]), вдохновленные теоретики оказались на некотором перепутье. Во-первых, можно было вплотную заняться суперструнами - суперсимметричной теорией струн - и исследовать их фундаментальные свойства, надеясь, что они совпадут с наблюдаемым поведением элементарных частиц. В 1984 г. Грин и Шварц получили важный результат об отсутствии в теории суперструн «аномалий», то есть математических неувязок. Ликованию не было предела. Суперструны, казалось, вырвались вперед на гоночном треке.

Непростой задачей для выбравших более отвлеченный путь явилось найти общий язык с экспериментаторами. Вычисления в теории струн зачастую требуют известной сноровки и зависят от многих свободных параметров. В зависимости от их значений меняются предсказания. Кроме того, у струнной теории было несколько разных версий (в середине 90-х Эд Виттен и другие доказали их эквивалентность). Такое многообразие параметров и теорий приводило ученых в недоумение: что же тогда проверять на опыте? Да о чем речь - объекты настолько крохотные (атомное ядро - галактика по сравнению с ними), что нам вряд ли суждено их вскоре «увидеть».

К тому же от математических парадоксов в теории суперструн можно избавиться, если только поселить струну в пространстве десяти, а то и больше измерений. Чтобы увязать это с тем фактом, что люди видят только три пространственных и одно временное измерение, теоретики вспомнили об идее шведского физика Оскара Кляйна, предложенной им в 20-х гг. XX в. Они заставили шесть лишних измерений скрутиться в шарик, такой маленький, что мы его не замечаем. На бумаге это получалось отлично, но экспериментаторов оставляло ни с чем. Ссылаясь на невозможность экспериментальной проверки, критики теории струн - среди знаменитостей это Глэшоу и Ричард Фейнман - заговорили о ее зыбкости.

Сотрудники лабораторий несколько оживились, когда на свет появился более близкий к жизни вариант суперсимметрии - Минимальная суперсимметричная стандартная модель (МССМ). Ее в 1981 г. выдвинули Савас Димопулос из Стэнфордского университета и Говард Джорджи. Они расширили Стандартную модель за счет дополнительных полей, представив ее в виде, удобном для включения в будущую объединенную теорию. Среди этих полей есть и суперсимметричные двойники, которые можно надеяться обнаружить в эксперименте.

В окончательной теории, естественно, должна присутствовать гравитация. Но по сравнению с другими силами она очень слабая. Если прослеживать в прошлое историю Вселенной до той эпохи, когда гравитация могла выступать на равных со своими напарниками, то придется уйти до планковского момента времени, отстоящего от Большого взрыва на 10^-43 секунды. Тогда безумно горячая Вселенная была настолько мелкой, что квантовомеханические принципы, описывающие самые маленькие природные системы, были справедливы и для гравитации. Одно мимолетное мгновение квантовый мир и общая теория относительности прожили в неравном браке, имя которому квантовая гравитация.

Если объединение всех природных сил происходило при таких высоких энергиях, участвовавшие в нем частицы должны были быть невероятно тяжелыми. Их масса, вероятно, превышает возможности БАК в квадриллион (10¹⁵) раз. Взаимодействуя с «хиггсом», частицы планковской массы так бы завысили его энергию, что вся Стандартная модель развалилась бы. В частности, в теории слабые силы настолько истощились бы, что мы их не смогли бы наблюдать.

Чтобы уйти от этих неприятностей, Димопулос и Джорджи, когда искали суперсимметричное описание единой теории поля, добавили в уравнения «нужные» члены. Последние скомпенсировали влияние слагаемых с большой массой и позволили держать бозон Хиггса в разумном диапазоне энергий. Побочный эффект этой процедуры - появление вместо одного «хиггса» целого семейства таких частиц, как нейтральных, так и заряженных, в том числе суперсимметричного партнера бозона, хиггсино.

Если какие-нибудь из легких суперсимметричных двойников будут зарегистрированы, они сильно помогут нам продвинуться в понимании того, что выходит за рамки Стандартной модели. Они позволили бы отдать предпочтение той или иной теории (МССМ или другим альтернативам) и зафиксировать значения свободных параметров (в МССМ их более ста). Но самое главное, это открытие дало бы нам возможность делать верные предположения о том, как должна себя вести теория струн (или другая теория объединения) при гораздо более высоких энергиях.

Впрочем, энергии, при которых теория струн работает в полную силу, сегодня недостижимы, а сама она предоставляет на выбор столько возможностей, что БАК вряд ли моментально ее подтвердит или опровергнет. В лучшем случае экспериментальные данные позволят более точно нащупать границы применимости этой теории. Скажем, обнаружение суперсимметрии не скажет решающего голоса в пользу теории струн, но может убедить ее сторонников, что они на правильном пути.

В числе тех, кто, затаив дыхание, ждет открытия SUSY, ученые, мучающиеся одним из интереснейших, если не самым интересным, вопросов современной науки: загадкой скрытой материи. Невидимая масса, разбросанная по Вселенной, давно лишила астрономов покоя. Дает о себе знать она только своим гравитационным притяжением. Например, звезды во внешних областях галактик двигаются немного не так, как можно было бы ожидать. Тайна темной материи - одна из мучительнейших головоломок астрономии. Некоторые ученые полагают, что ее решение может быть хоть и весомым, но невидимым - суперсимметричными частицами-двойниками. Кто знает, не набит ли наш вселенский шаттл суперсимметричным грузом? Возможно, недалек тот день, когда самый высокоэнергичный прибор в мире доберется до ускользающего от нашего глаза природного фрахта.

Нечего и думать разгадать все эти загадки без столкновений частиц высоких энергий, тщательно отслеживаемых хитроумными детекторами, которые определяют свойства массивных осколков. Эти методы уходят корнями в прошлое. Бомбардировка частицами для исследования внутренней структуры материи начала применяться более века назад. Первой в 1909 г. под удар себя подставила золотая фольга. Приборы, правда, в то время были намного проще.

Тогда ученых интересовало устройство атома. О его внутренней структуре было известно очень мало, пока в игру не вступили бомбардирующие частицы. Нельзя расколоть кокос пальмовым листом, для этого как минимум нужна добротная киянка и жесткие и меткие удары. А вот атом под силу только специальной кувалде, крепко сжимаемой в умелых руках.

На золотых приисках. Эксперименты Резерфорда по рассеянию альфа-частиц

Однажды в фермерской глубинке той страны, что маори называют Аотеароа, Страна Длинного Белого Облака, юный поселенец копал картошку. С завидным упорством парень лопатой вгрызался в землю, добывая урожай, который помог бы его семье пережить трудные времена. Вряд ли он там надеялся найти золотые самородки - в отличие от других частей Новой Зеландии, его район не славился приисками, - однако ему было уготовано золотое будущее.

Эрнест Резерфорд, которому было суждено первому заглянуть в недра атома, родился в семье первых переселенцев в Новую Зеландию. Его дедушка Джордж Резерфорд, колесный мастер из шотландского Данди, приехал в колонию Нельсон на окраине Южного острова, чтобы помочь построить лесопилку. Когда она была готова, Резерфорд-старший перевез семью в поселок Брайтуотер (ныне Спринг-Грув) к югу от Нельсона, в долине реки Вайроа. Там сын Джорджа Джеймс, выращивавший лен и тем зарабатывавший себе на жизнь, взял в жены английскую эмигрантку Марту, которая и родила Эрнеста 30 августа 1871 г.

В нельсонской школе и позже в Кентерберийском колледже в Крайстчерче, самом крупном и самом английском городе на Южном острове, Резерфорд показал себя прилежным и способным учеником. Один из однокашников будущего ученого запомнил его как «непосредственного, искреннего, простого и очень приятного молодого человека, который хоть и не был вундеркиндом, но если уж видел цель, то сразу схватывал главное»¹¹.

[10] Читается: «дубль-вэ плюс» и «дубль-вэ минус-бозоны». - Примеч. пер.

[11] «СуСи» - Примеч. пер.