Kitabı oku: «Тончайшее несовершенство, что порождает всё. Долгий путь к частице Бога и Новая физика, которая изменит мир», sayfa 4
Великое объединение сил
Объединенная теория электрослабых взаимодействий стала еще одним решительным шагом к осуществлению мечты всех физиков – великому объединению фундаментальных взаимодействий.
У этой проблемы долгая предыстория. Первое объединение восходит еще к Галилею и Ньютону. Сила тяжести, благодаря которой тела ускоренно падают на землю, и та сила, что притягивает друг к другу Луну и Землю или Землю и Солнце, из‑за чего первые находятся в состоянии перманентного падения на вторые, – два разных проявления одной и той же силы всемирного тяготения. Небесная гравитация и земная сила тяжести – это одна и та же сила. Именно об этом говорит нам легенда о яблоке, падающем на голову гениального английского ученого.
Для следующего объединения потребовалось два века. Мы назвали его электромагнетизмом – это сила, переносимая фотонами. После того как Фарадей, Герц, Максвелл и Лоренц показали, что электрические явления вызывают магнитные эффекты, и наоборот, все стало простым и понятным. А когда выяснилось, что данное взаимодействие распространяется посредством фотонов и что свет – это электромагнитная волна с определенными параметрами, иначе говоря, возмущение поля, распространяющееся в пространстве, то полноправным членом семьи стала и оптика.
С объединением слабого и электромагнитного взаимодействий желание рассматривать три фундаментальных силы (третье – это сильное ядерное) как проявления одной и той же суперсилы стало практически непреодолимым.
Механизм тут прост. Три фундаментальных взаимодействия характеризуются тремя числами, константами связи, которые определяют их интенсивность. Чем больше значение соответствующей константы, тем интенсивнее взаимодействие. Значения этих трех констант хорошо известны. Принимая за 1 константу связи сильного взаимодействия, мы получим для электромагнитного взаимодействия значение константы связи в 1/137, то есть оно окажется более чем в сто раз слабее сильного, а слабое – примерно в миллион.
Это колоссальное неравенство несколько смягчается из‑за того, что я предпочитаю называть динамической социальной справедливостью: из‑за механизма, подтвержденного множеством экспериментов. Значения констант связи, то есть интенсивность соответствующих взаимодействий, не остаются постоянными, определенными раз и навсегда. Константы, таким образом, не в полной мере константы – они зависят от энергии. С ростом энергии сильные слабеют, а слабые становятся сильнее.
Эту странную динамику подтверждают эксперименты со столкновениями на высоких энергиях. С ростом энергии сталкивающихся частиц проявления электромагнитных и слабых взаимодействий растут, а проявления сильных, напротив, ослабевают. Этот механизм был в основании объединения электрослабых взаимодействий. Когда стали доступны энергии, достаточные для получения W- и Z-бозонов, интенсивность слабых взаимодействий выросла до такой степени, что мы смогли экспериментально убедиться в их объединении с электромагнитными; с тех пор, как подобное можно было наблюдать в естественных условиях, прошли миллиарды лет.
Тот же механизм наблюдается в экспериментах на LHC. При возрастании энергии константа связи сильных взаимодействий становится меньше, а константа связи слабых растет, так что оба значения все больше и больше сближаются. Экстраполируя эту тенденцию, различные теории предсказывают, что при экстремально высоких энергиях константы связи сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий стали бы почти равными17 и три фундаментальных взаимодействия практически сравнялись бы по интенсивности. Эти энергии не были достигнуты, и, по всей вероятности, достичь их не удастся – по крайней мере в ближайшем будущем. Тем не менее общая теоретическая рамка представляется вполне функциональной.
При проведении этой экстраполяции выяснилось, что присутствие в теории новых частиц (к примеру, предсказанных на основании предположения суперсимметрии) приводит к тому, что при вполне определенном значении энергии константы связи всех трех взаимодействий в конце концов приобретают совершенно одинаковое значение. Это обстоятельство послужило еще одним сильным аргументом в пользу суперсимметрии.
Если бы Великое объединение было доказано экспериментально, ситуация стала бы намного яснее. То, что мы видим в реальности нашего мира, – это низкоэнергетические проявления фундаментальных взаимодействий, производных от одной суперсилы, которая действовала в невозмущенном виде в горячей ранней Вселенной. Но как только температура Вселенной опустилась ниже критической, эта суперсила кристаллизовалась и приобрела формы, кажущиеся нам разными взаимодействиями; именно в таком виде мы и смогли с ними познакомиться. Произошедшее немного напоминает то, что случается с водяным паром зимних облаков, который, в зависимости от условий среды, может либо конденсироваться в холодные капли дождя, либо десублимировать в кристаллы снежинок.
Имя мечты
А что же с гравитацией? Мы на какое‑то время оставили ее в стороне – по причине ее обезоруживающей слабости в сравнении с другими фундаментальными взаимодействиями. Константа связи гравитационного взаимодействия с ее близким к нулю значением 10–39 бьет все рекорды. По причине малости этой величины принимать во внимание гравитацию имеет смысл только тогда, когда рассматриваются огромные массы: Солнце, Земля или Луна.
Никто не будет считаться с силой гравитационного притяжения между сотрудниками одного офиса или рабочими одного завода. А ведь каждый из них весит около 80 кг и находится на расстоянии всего двух метров от другого, притом что сила притяжения двух масс обратно пропорциональна квадрату расстояния. И все же она никого не интересует из‑за очень маленького значения константы связи – вследствие этого сила притяжения окажется настолько слабой, что для ее экспериментальной регистрации нам бы понадобились весьма чувствительные приборы. (Если же вы испытываете притяжение к коллеге, с которым или с которой работаете в одном помещении, то у вашего притяжения наверняка не гравитационная природа.)
Для гравитационной константы связи справедливо то же, что было уже сказано про все остальные: при возрастании энергии она растет. Но в ее случае механизм объединения не работает. Эта константа стартует со значения настолько низкого, что, когда все остальные взаимодействия сливаются вместе, безнадежно слабое гравитационное остается в одиночестве.
Эта аномалия будет в центре внимания у целых поколений физиков. Одна из самых привычных для нас сил, с которой мы сталкиваемся ежедневно, оказывается в то же самое время и самой странной. И все‑таки желание объединить все четыре встречающихся в природе взаимодействия никуда не делось. У такой теории уже даже есть амбициозное имя – Теория Всего. И она – тайная мечта любого физика.
Экстраизмерения
Добавить гравитацию в объединенную теорию казалось безнадежным делом до тех пор, пока, несколько лет назад, группа молодых физиков не предложила коренным образом поменять сам взгляд на проблему.
Механизм, в его принципиальных чертах, прост. Гравитация не слаба сама по себе, она лишь кажется слабой. Ослепленные здравым смыслом, мы остаемся в плену предрассудка, согласно которому Вселенная эволюционирует в пространстве четырех измерений: три из них собственно пространственные – длина, ширина и глубина, а одно – временнóе. Но если мы, напротив, предположим, что размерность больше (5, 6 или 10), добавив измерения, которых мы просто не замечаем, то картина радикально изменится.
Вот и разрешение загадки: гравитация кажется нам слабой, потому что мы всегда наблюдали только ее бледную проекцию в знакомом нам четырехмерном мире. Но в пространстве бóльшей размерности это взаимодействие значительно интенсивнее, чем мы думаем! Учитывая скрытые измерения, мы обнаружим, что гравитационная константа связи становится нормальной и при росте энергии гравитация сможет объединиться со всеми остальными взаимодействиями. Но где же скрываются эти экстраизмерения? В первые мгновения жизни Вселенной огромная энергия позволяет удерживать их открытыми, а при последующем охлаждении они быстро сворачиваются, словно замыкаясь сами на себя, и становятся незаметными. Аномальная же слабость гравитации остается с нами – как гигантская диспропорциональная деталь, словно подсказывающая, что мы не должны довольствоваться видимостью.
Самое удивительное заключается в том, что если дополнительные измерения существуют, то их можно обнаружить с помощью ускорителей элементарных частиц, в частности – LHC. Заставляя сталкиваться протоны высоких энергий, мы можем поколебать те пределы, в которых вот уже миллиарды лет протекает незаметная и молчаливая жизнь скрытых измерений. Различные варианты теории предсказывают существование сверхмассивных элементарных частиц – их свойства практически такие же, как и у других частиц, описываемых Стандартной моделью, только весят они в десятки раз больше, – или даже новые и совершенно экзотические состояния материи, для которых гравитационное взаимодействие значительно сильнее, чем обычно. То есть возможно образование агломератов субатомных частиц, удерживаемых вместе не электромагнитным, как электроны в атоме, и не сильным, как кварки в ядре, а гравитационным взаимодействием.
На очень маленьких расстояниях гравитационное притяжение может оказаться настолько сильным, что (теоретически) способно привести к рождению микроскопических черных дыр. У них нет ничего общего с космическими черными дырами – гигантскими небесными телами в центрах многих галактик, настолько массивными, что они оказываются невидимыми, так как даже свет не может оторваться от них. Если такие микроскопические черные дыры действительно могут образовываться, то они должны быть безобидными неустойчивыми частицами, существующими очень короткое время и оставляющими по себе в качестве доказательства своего существования микроскопический фейерверк из десятка элементарных частиц, который можно зарегистрировать ультрачувствительными детекторами, окружающими зону реакции. Поскольку до сих пор ни в одном эксперименте не было замечено ни следов сверхмассивных частиц, ни микроскопических черных дыр, то мы можем оценить сверху ничтожные пространственные размеры все еще скрывающихся дополнительных измерений. Короче говоря, вопрос остается открытым, и любой день может оказаться для нас счастливым. Момент, когда подтвердится какая‑то определенная теория дополнительных измерений, не только впишет этот день в анналы истории науки, но и откроет новую главу в истории человечества. Какая захватывающая смена перспективы, меняющая всю картину мира! Попробуйте‑ка, к примеру, мысленно вписать себя в десятимерный мир или хотя бы попросту его представить. Либо задайтесь вопросами о том, что за удивительные возможности принесет нам систематическое исследование этой новой и доселе неизвестной стороны Вселенной.
В поисках священного Грааля
Итак, начав с обсуждения Стандартной модели, мы пришли к главным вопросам современной физики. Темная материя, инфляция, темная энергия, объединение взаимодействий и особая роль гравитации – вот те проблемы, для решения которых понадобится, по всей вероятности, совершить концептуальную революцию в физике. Рано или поздно мы обнаружим нечто такое, что навсегда изменит наши представления об окружающем мире, а Стандартная модель станет частным случаем значительно более общей теории в пределе низких энергий. Такое уже случалось в прошлом и наверняка случится снова.
Но появление новых проблем не должно было отвлекать нас от решения проблемы старой. Требовалось либо обнаружить бозон Хиггса и доказать, что эта частица действительно существует, либо дать какое‑то другое объяснение механизму спонтанного нарушения симметрии электрослабого взаимодействия. Задача оказалась не из легких. Охота за бозоном началась давно, однако пока Стандартная модель шла в остальном от успеха к успеху, на этом пути копились все новые и новые неудачи. Хотя Стандартная модель переживала годы своего наивысшего триумфа, эта частица по‑прежнему оставалась неуловимой – а ведь на ее существовании держалась вся теоретическая конструкция.
Но вот на рубеже 90‑х годов в игру вступило новое поколение молодых физиков, которые решили попробовать свои силы в деле, до сих пор никому не удававшемся. То есть или обнаружить проклятый бозон, или показать, что механизм Браута – Англера – Хиггса не работает и нужна другая теория.
Предложенные ими для решения проблемы устройства были такого размера и с такими характеристиками, что поначалу их приняли за сумасшедших. Большинства технологий, которые они намеревались использовать, попросту не существовало, запрашиваемые материалы были делом далекого будущего, а требуемые условия проведения экспериментов казались безумными.
Мечтой физиков этого поколения стало сооружение небывалого ускорителя, окруженного небывалыми же детекторами. Они хотели перекрыть для бозона Хиггса все возможные лазейки, систематически обследуя любой закоулок, где он мог оказаться.
Но в своих планах молодые ученые шли еще дальше. Одновременно с поисками бозона они собирались отыскать первые признаки Новой физики: признаки новых частиц, чье существование следовало из суперсимметрии, или микроскопических черных дыр, появившихся в теории экстраизмерений. И новое устройство должно было им в этом помочь. Исследователи хотели основательно изучить все русло реки современной физики, один за другим переворачивая камешки на ее дне, чтобы не упустить даже самую мелкую рыбешку.
Готовиться к сюрпризам всегда трудно. Могло оказаться, что у бозона Хиггса совсем другие свойства, чем следует из Стандартной модели. Надо было настраиваться на то, чтобы регистрировать самые ничтожные аномалии, ибо именно в них могли прятаться признаки Новой физики. Бозонов Хиггса могло оказаться целое семейство, а могло случиться и так, что роль искомого бозона играет какой‑то совсем другой актер. Нам надо было приготовиться к встрече с частицами куда более экстравагантными, чем когда‑либо воображал человеческий ум, – может, стабильных, способных неделю дремать в аппаратах ускорителя, чтобы потом внезапно распасться сразу после загрузки данных, а может, призрачных невидимых частиц темной материи, которые нельзя зарегистрировать напрямую.
Теперь я приступаю к рассказу об истории и приключениях LHC, Большого адронного коллайдера.
Глава 3
Вы окончательно рехнулись!
И нобелиаты порой ошибаются
Кафетерий ЦЕРН,
конец какого‑то весеннего дня 1995 года
Я только что вышел с заседания LHCC, Комитета по экспериментам на LHC. Этот комитет был создан несколько лет назад, чтобы оценивать предложения по экспериментам на новом ускорителе – Большом адронном коллайдере. Один из членов комитета – немецкий физик, работающий в эксперименте OPAL на Большом электрон-позитронном коллайдере, новом ускорителе ЦЕРН. Он всегда вежлив и вопросы задает точные; в отличие от других, он не агрессивен по отношению к нам, и ясно, что он на нашей стороне, на стороне молодых физиков, взявшихся за дело, которое все считают невыполнимым. Этого физика зовут Рольф Хойер, и он будет генеральным директором ЦЕРН в момент нашего открытия бозона Хиггса.
В кафетерии я встречаю Карло Руббиа. В жизни ЦЕРН кафетерий занимает очень важное место. Во-первых, тут днем можно пообедать, а во‑вторых, мы заходим сюда в рабочее время, чтобы передохнуть и выпить кофе – или, ближе к вечеру, пива. Здесь всегда оживленно: люди за столиками вечно что‑то обсуждают, делятся идеями, ищут решения. Собеседники из самых разных стран и всех возможных цветов кожи в пылу дискуссий переходят с языка на язык – и потому я полагаю бумажные салфетки одним из важнейших научных инструментов современности. Они тысячами используются для того, чтобы написать уравнения, набросать схему детектора или обсудить фейнмановскую диаграмму; они подобны первым черновикам, на которых маэстро набросал темы всех своих будущих симфоний. Когда обсуждение закончено, салфетки, разумеется, отправляются в мусорную корзину, но если бы кто‑нибудь собирал и хранил их, то на них со временем непременно бы обнаружились следы первых прозрений, приведших в итоге к грандиозным открытиям последних десятилетий.
Около года назад завершился срок пребывания Руббиа на посту директора ЦЕРН, так что он вернулся к своей обычной бешеной научной активности. Он всегда фонтанирует идеями и инициативами. Любопытство – его главное качество. Он знает, что мы сейчас работаем над экспериментом на Компактном мюонном соленоиде, CMS (Compact Muon Solenoid), – детекторе, конструкция которого родилась у нас из идей Мишеля Делла Негра и Джима Вирди, двух учеников Руббиа, молодых людей, работавших с ним в эксперименте UA1 во время открытия W- и Z-бозонов. Я уверен, что Руббиа в подробностях осведомлен о моих научных интересах, а также знает, что в основе всего нашего проекта лежит много новых, совершенно революционных идей.
Когда он со свойственным ему напором говорит мне: “Ну и что вы там, молодежь, намудрили со своим CMS? Не хочешь заглянуть ко мне в кабинет поболтать?” – я уже знаю, что следующий час проведу в аду. И вот я уже стою у доски в кабинете нобелевского лауреата, черчу и пишу на ней формулы, даю объяснения, отвечаю на вопросы, которые становятся все более и более сложными. Руббиа прежде всего движет любопытство, но я хорошо вижу, как он изо всех сил старается загнать меня в угол. Я потею, пытаюсь сохранять спокойствие, спорю, защищаюсь из последних сил. И вдруг он замолкает; на добрых полчаса он перестает меня перебивать и терпеливо следит за тем, что я пишу на доске. Я поясняю: “Так, я думаю, можно будет создать трековую камеру18, которая выдержит жесткое излучение внутри LHC. Я знаю, что многие технологии еще сырые, но у нас должно получиться”. И добавляю: “Конечно, затраты на сегодня получаются заоблачными, но у нас есть некоторые соображения, как их можно было бы существенно снизить”. И подытоживаю: “Я понимаю, что такая конструкция камеры выглядит чересчур футуристичной, но в случае успеха она позволит нам регистрировать электроны и мюоны с такой точностью, что мы сможем отчетливо идентифицировать бозон Хиггса. С таким детектором мы поймаем его за бороду”. Опуская мел и отворачиваясь от доски, я вижу на лице Руббиа весьма скептическое выражение. Его последние слова не оставляют нам никаких шансов: “Все это писано вилами по воде и работать не будет”.
Выходя из его кабинета, я уже знаю, на чем будут сфокусированы мои усилия в ближайшие годы: доказать, что трековые детекторы на LHC возможны, что с их помощью можно измерять траектории частиц и что даже нобелевские лауреаты иногда ошибаются.
Охота началась
Охота на бозон Хиггса началась далеко не сразу после того, как была выдвинута гипотеза о существовании этой частицы. И определяющая роль, которую она играла в новой теории, тоже стала понятна не сразу. Только в середине 1970‑х годов, когда Стандартная модель была окончательно принята научным сообществом, начались планомерные поиски подтверждения всех ее предсказаний, в том числе и подтверждение существования этого особого бозона.
Статья, привлекшая внимание физиков-экспериментаторов, была опубликована в 1975 году. Сегодня, спустя десятилетия неустанных поисков, любопытно перечитывать выводы авторов того первого исследования – теоретиков Джона Эллиса и Димитрия Нанопулоса. Описав характеристики новой частицы и различные каналы ее распада, они заключают: “Мы приносим извинения физикам-экспериментаторам за то, что не имеем представления ни о массе бозона Хиггса, ни о том, как он взаимодействует с другими частицами, хотя и предполагаем, что это взаимодействие очень слабо. По этим причинам мы не хотим поощрять крупные экспериментальные поиски, но считаем своим долгом проинформировать тех, кто будет проводить эксперименты, потенциально чувствительные к присутствию бозона Хиггса, о том, как эта частица может проявиться в их данных”.
После таких осторожных слов трудно было даже предположить, что очень скоро начнется самая долгая в истории физики и самая дорогая охота на элементарную частицу. Но она началась.
Стандартная модель отводит бозону Хиггса вполне определенную роль и с точностью фиксирует все его характеристики – за исключением одной, самой важной для тех, кто собирается его искать: его массы. Теоретически – это свободный параметр, как говорят в тех случаях, когда речь может идти и о чем‑то легком, как бабочка, и о чем‑то тяжелом, как слон. От массы фантомной частицы зависят многие ее свойства: прежде всего процессы, в которых она может появиться, и вероятность того, что она действительно появится; затем промежуток времени, в течение которого частица реально существует, и, наконец, каналы ее распада на другие частицы.
Тут следует напомнить, что частиц, стабильных в свободном состоянии – как фотон, электрон и протон, – в природе совсем немного. Есть небольшая группа других частиц, таких как нейтроны и мюоны, которые, хотя и не стабильны, живут достаточно долго, чтобы их можно было напрямую зарегистрировать в детекторе. Но подавляющее большинство – это нестабильные частицы: они живут очень коротко и почти сразу же распадаются на другие частицы; бозон Хиггса – в этом смысле не исключение. Не приходится даже думать о том, чтобы зарегистрировать его, непосредственно увидев треки, оставленные им в измерительных приборах. О его присутствии можно судить только по продуктам его распада, и его масса исключительно важна, чтобы понимать, какие еще частицы он может породить. Спектр возможностей тут огромен. Всякого, кто решится на поиски, ждет настоящий кошмар. Это все равно что исследовать Тихий океан в поисках нового вида животных, не зная, о чем в точности идет речь – о крошечных насекомых, живущих в растительности островов, или о гигантских глубоководных рыбах.
В случае с W- и Z-бозонами все было совсем не так. Когда Руббиа начал переделывать самый мощный на то время в мире ускоритель, задача перед ним стояла предельно ясная: подробно исследовать диапазон масс, которые могут быть у W- и Z-бозонов. Объединенная теория электрослабого взаимодействия давала уверенное предсказание: их массы должны быть между 80 и 90 ГэВ19; это почти в сто раз больше, чем у атома водорода, и все каналы рождения и распада данных частиц были хорошо определены. Оставалось только построить достаточно мощный ускоритель и сфокусироваться на нужных значениях энергии.
Охота на бозон Хиггса гораздо сложнее, в ней слишком много неизвестных. Во-первых, этот бозон не обязательно существует: Стандартная модель предполагает наличие некоего механизма, нарушающего симметрию между слабым и электромагнитным взаимодействием, но этот механизм не обязательно именно таков, как его описали Браут, Англер и Хиггс. Были и другие модели, безусловно менее элегантные, но нам уже известны случаи, когда природа выбирала совсем не те пути, которые нам больше всего нравились. А кроме того, даже если механизм Хиггса действительно всецело зависел от этого самого бозона (как приписывалось ему теорией), в реальности ничто не мешало ему быть легким, как электрон, или в десять раз тяжелее массивных W- и Z-бозонов. Спектр возможностей, которые предстояло исследовать, был огромен.
Если бы бозон Хиггса был легким, то его можно было бы обнаружить по косвенным эффектам во множестве уже изученных процессов и для его регистрации не понадобилось бы строить большие ускорители. Напротив, если масса его велика, то нет другого пути, кроме как создавать достаточно мощный ускоритель.
Поначалу охота проходила спокойно, но после первой же ложной тревоги события закрутились в бешеном ритме.
Было лето 1984 года, прошло всего несколько месяцев после открытия W- и Z-бозонов; в лаборатории DESY (Deutsches Electronen-Synchrotron), расположенной в Германии неподалеку от Гамбурга, только что модернизировали электронно-позитронный коллайдер Doris. С первых же месяцев его детекторы начали регистрировать нечто необычное. При энергиях около 8,33 ГэВ наблюдался необъяснимый избыток событий, характерный для рождения новых частиц, “нейтральных и нестабильных”. Возбуждение нарастало – сигнал читался однозначно: все говорило о присутствии бозона Хиггса.
Об открытии было объявлено на самой престижной площадке – на Международной конференции по физике высоких энергий, проходившей в тот год в Лейпциге, тоже в Германии. Сообщение произвело эффект разорвавшейся бомбы, но – сразу последовали бурные споры. Разочарование к ученым приходит, когда другие группы исследователей безуспешно пытаются получить такие же результаты. Физики самой Doris, собрав дополнительные данные, в конце концов признали, что им тоже не удалось воспроизвести собственные результаты. Теперь мы уже никогда не узнаем, была ли членами группы совершена какая‑то ошибка или все дело в коварной статистической флуктуации.
Ложные тревоги будут сопровождать охоту на бозон Хиггса на протяжении десятилетий. Ну, а первое событие из этого ряда оказалось полезным в частности потому, что научный мир оценил всю важность будущего открытия. С этого момента следы бозона Хиггса начнут отслеживать во всех последующих экспериментах.
