Текст книги "Тончайшее несовершенство, что порождает всё. Долгий путь частице Бога и Новая физика, которая изменит мир"

У начала Вселенной

Открытие бозона Хиггса стало важной вехой в истории познания. Теперь мы можем точно реконструировать, что же произошло в первые мгновения после Большого взрыва, когда скалярное поле Хиггса заполнило всю Вселенную, проникая во все ее уголки, вплоть до самых далеких. Когда прошла лишь одна стомиллиардная доля секунды и началось то, что определит судьбу Вселенной, пока еще раскаленной, на миллиарды лет вперед.

Именно в этот момент бессчетное количество бозонов Хиггса, которые вот прямо только что еще двигались со скоростью света, вдруг конденсируется, образуя – отныне и навеки – вездесущее поле, поле Хиггса[48]48
  Предложенное автором красочное описание следует воспринимать лишь как очень схематичный набросок того, как в принципе мог бы выглядеть электрослабый фазовый переход в ранней Вселенной. Реальная картина прояснена еще не до конца, но она, скорее всего, куда более сложна и более богата на явления. – Прим. науч. ред.


[Закрыть]. Электромагнитная сила, которая вплоть до сего момента выступала под ручку со слабой силой, расстается с нею навеки. Для фотонов, которые не взаимодействуют с полем Хиггса, ничего не меняется. А на W– и Z-бозоны поле, напротив, накидывает свою сеть, отчего они становятся такими тяжелыми, что не могут больше передавать слабые взаимодействия дальше, чем на внутриядерные расстояния. Наконец и элементарные частицы разделяются между собой – в зависимости от того, как они взаимодействуют с полем, – обретая через это безвозвратно различные массы.

Одно мгновение – и все поменялось навсегда.

Благодаря этому хитрому механизму материя обрела свойства, знакомые нам сегодня. Та масса, которую приобрели электроны, позволяет им размещаться на стабильных орбитах вокруг ядер, из‑за чего могут образовываться атомы и молекулы. Благодаря тому же механизму возникли огромные газовые туманности, из которых родились первые звезды, а потом галактики, планеты и звездные системы… постепенно дело доходит до живых организмов, которые становятся все более и более сложными, – и наконец появляемся и мы с вами. Без электрослабого вакуума, без этих стропил, на которых держится вся грандиозная материальная структура, которую мы называем Вселенной, всего перечисленного бы попросту не было.

Если бозон Хиггса, спустя миллиарды лет достойного служения, в какой‑то момент – завтра ли в 5.45 утра или на два миллиарда лет позже – ни с того ни с сего вдруг устанет либо сложит руки на груди и отправится бастовать, вся наша Вселенная превратится в один огромный огненный шар.

Открытие бозона Хиггса – это, безусловно, очередное достижение науки. Сегодня мы можем сказать, что начали понимать механизм нарушения электрослабой симметрии. Однако данный новый триумф Стандартной модели – триумф проблематический.

Мы уже знаем, что рано или поздно обязательно получим в свое распоряжение более общую теорию, которая будет не только объяснять материю в значительно более протяженном диапазоне энергий, но и включать в себя Стандартную модель в качестве частного случая. Мы знаем, что очень многое из того, в истинности чего мы уверены, не будет истинным при более высоких энергиях, недоступных нам сегодня. Стандартная модель лопнет, и обнаружатся новые фундаментальные взаимодействия или новые элементарные частицы, и будет объяснено пока еще необъясненное: инфляция, объединение с гравитацией, темная энергия.

Но в каком диапазоне энергий все это может случиться?

На этот вопрос, вновь приобретший актуальность, научная общественность ищет ответ уже много лет. Сейчас мы переживаем переломный момент научной революции, контуры которой станут ясны, возможно, лишь через несколько десятилетий.

Бозон Хиггса и Новая физика

Бозон Хиггса – совсем не такая частица, как все прочие. Давая массу всем другим частицам, связанное с ним поле взаимодействует и со всеми частицами, которые мы уже знаем, и со всеми другими, которые пока не открыты. Потому этот новичок сразу становится и новым инструментом исследования. Как если бы мы получили в свое распоряжение ультрачувствительную антенну, которая может дать нам кое‑какие знания даже о невидимых сторонах этого мира. Она получает сигналы, пусть слабые, но воспринимаемые, из самых темных уголков нашей Вселенной.

Вот почему, едва миновала эйфория от сделанного открытия, а элегантные наряды отправились в платяные шкафы, мы сразу вернулись к работе и стали искать ответы на длинный список вопросов. И прежде всего вот на какой: действительно ли пойманная нами частица одна-одинешенька, как ей и положено согласно Стандартной модели? Или ее окружают еще четыре компаньона, как следует из принципов суперсимметрии?

Под термином “суперсимметрия” вообще‑то скрывается обширное семейство теорий, хотя и сильно отличающихся друг от друга, но все же объединенных гипотезой, что существует специальное соотношение, которое каждому бозону, то есть частице с целым спином, ставит в соответствие фермион – частицу с дробным спином. Так что суперсимметрия сразу умножает на два число всех известных нам элементарных частиц. Для каждой должен быть суперпартнер со спином, отличающимся на 1/2.

В Стандартной модели фермионы – это частицы, из которых строится вещество, а взаимодействия в нем переносятся бозонами. В суперсимметричном мире все наоборот: частицы материи – с целым спином, а взаимодействия переносятся фермионами.

Этой симметрии надлежало быть точной сразу после Большого взрыва, но она должна была спонтанно нарушиться уже на одной из самых первых фаз развития Вселенной, в которой после этого нарушения нам осталась только обычная материя. Все суперсимметричные частицы, вероятно, исчезли – за единственным возможным исключением: нейтралино или каких‑то других нейтральных, стабильных и очень массивных частиц, участвующих только в слабых и гравитационных взаимодействиях. Возможно, именно из них и состоит темная материя. Отсутствие частиц суперматерии вокруг нас можно было бы объяснить тем, что суперсимметричные партнеры значительно более массивны, чем известные нам частицы. Но насколько именно они более массивны, нам знать не дано. Может быть, их масса – сотни ГэВ, а может быть, и несколько ТэВ или даже десятков ТэВ.

Если Сьюзи верна, то у нас уже есть по крайней мере один естественный кандидат в частицы темной материи – нейтралино. Но не только: присутствие суперсимметрии могло бы, по‑видимому, объединить все взаимодействия (кроме гравитации) в одну единую суперсилу, которая преобладала на ранних стадиях развития Вселенной, еще до конденсации хиггсовского поля. Нечего и говорить, что это было бы совершенно новое видение Вселенной.

Помимо прочего, Сьюзи предполагает, что у нас должно быть больше типов бозона Хиггса, которые, соответственно, образовывали бы целое семейство. Масса его самого легкого участника не должна превосходить 130 ГэВ, то есть он должен быть похож на бозон Хиггса в Стандартной модели – на тот, что мы наблюдали на LHC. Это наше открытие, кроме прочего, исключило те суперсимметричные модели, которые предполагают существование более легкого бозона Хиггса, с массой между 100 и 120 ГэВ. Многие из тех, где предполагалась масса около 125 ГэВ, выжили. Но чтобы доказать, что наблюдавшийся нами бозон – это в действительности супер-Хиггс, надо обнаружить либо кого‑то из его братьев в этом семействе, либо какие‑то аномалии в его взаимодействии с другими частицами.

С точки зрения квантовой теории, легкая скалярная частица вроде открытого нами бозона Хиггса – объект очень странный. Поскольку он предпочтительно взаимодействует с более тяжелыми частицами, у него привилегированная связь с топ-кварком. Так что мы можем представить его себе окутанным облаком топ-кварков, что должно, в теории, существенно отразиться на его массе. Выражаясь более точно, радиационные квантовые поправки к массе бозона неконтролируемым образом утяжеляют его до абсурдных значений, сильно превосходящих измеренные нами 125 ГэВ. Если же этого не происходит, то либо есть какой‑то неизвестный механизм, работающий ad hoc на то, чтобы защитить бозон от радиационных поправок, либо же для каждой поправки, утяжеляющей его, есть другая поправка, облегчающая его в той же самой пропорции. Эта вторая версия подтвердится, если окажется, что Сьюзи верна. У радиационных квантовых поправок к массе бозона Хиггса противоположные знаки для фермионов и бозонов, и поэтому для каждого положительного слагаемого, связанного с топ-кварком, должно быть и отрицательное, связанное с его суперпартнером, стоп-скварком. Тут стоит добавить, что в то время как постоянно окружающее бозон Хиггса облако частиц увеличивает его массу, облако их суперпартнеров, счастиц, уменьшает ее, и оба эти явления в точности компенсируют друг друга, так что масса бозона остается неизменной.

Резюмируя сказанное, можно утверждать, что присутствие суперсимметричных частиц представляло бы естественное объяснение, почему бозон Хиггса такой легкий, – и Сьюзи сохраняет свое очарование в том числе и по этой причине. Однако если этот гениальный механизм может работать, то и масса стоп-скварка не должна сильно отличаться от массы топ-кварка, равной примерно 173 ГэВ. И вот тут скрывается проблема: если стоп-скварки так легки, мы должны были бы видеть их в изрядных количествах. Но все предпринятые до сих пор попытки не дали никаких результатов, и мы теперь знаем, что если стоп-скварк и существует, его масса никак не может быть меньше 400–500 ГэВ.

И вообще – Сьюзи представляется чудотворной теорией, способной в одно касание решить любую из фундаментальных проблем современной физики (темная материя, великое объединение, загадка легкого бозона Хиггса), но и у нее есть слабое место: никому все еще не удалось найти ни одной из многочисленных частиц, предсказываемых этой теорией. При каждой попытке мы всего лишь получаем новый нижний предел для массы предполагаемой суперсимметричной частицы.

Если Сьюзи справедлива, то ее частицы должны быть очень тяжелыми, и, ввиду того, что нет никаких их следов, многие начинают думать, будто пора уже отказаться от исходного допущения. Но нет, пока это делать рано, и прежде всего потому, что в ближайшие годы у нас появится возможность систематически исследовать обширнейший диапазон энергий, в котором может скрываться множество сюрпризов.

Вот почему с открытием бозона Хиггса стали возникать все новые и новые области исследований.

С одной стороны, продолжается непосредственная охота за суперсимметричными частицами. Из-за возрастания рабочей энергии LHC, достигшей к 2015 году 13 ТэВ, есть шанс получить более массивные частицы, ускользавшие от исследователей при энергиях в 7–8 ТэВ. Теперь добавилось дополнительное ограничение, связанное с присутствием того самого объекта массой в 125 ГэВ. Мы уже знаем, что если не найдется стоп-скварков легче 2 ТэВ, то описанный выше механизм компенсаций, который казался таким элегантным и который позволял поддерживать Сьюзи ее sex appeal[49]49
  Сексуальная привлекательность (англ.).


[Закрыть], ничем более оправдать будет нельзя и Сьюзи (или, во всяком случае, ее наиболее известный вариант) окажется в серьезном кризисе.

С другой стороны, братья бозона Хиггса разыскиваются в том же самом диапазоне, который уже внимательно исследовался в связи с поисками бозона Стандартной модели. Сделанного до сих пор пока недостаточно, так как идет поиск частиц со слишком различными характеристиками. У братьев бозона Хиггса другие каналы рождения и распада, и потому для их поиска нужны особые стратегии. К тому же тут потребуются значительные объемы данных, так как чем тяжелее частица, тем сложнее ее получить и тем реже она попадается.

Одновременно продолжаются исследования бозона Хиггса с массой 125 ГэВ. Стандартная модель предсказывает все ее характеристики с очень большой точностью. Все, что мы видели до сих пор, хорошо совпадает с предсказаниями, но наша точность ограничена небольшим количеством бозонов, которые нам удалось распознать. Во многих процессах распада погрешность наших измерений сильно превосходит 10 %. Она оставляет достаточно места для отличия истинных характеристик от измеренных, а аномалии, предсказываемые Сьюзи, проявятся в отклонениях всего на несколько процентных пунктов.

За прошедшие с момента открытия годы мы могли выделить на LHC десятки тысяч бозонов Хиггса, чтобы подробно изучать их свойства. Если бы мы заметили хоть какую‑то аномалию в них, мы бы получили непрямое указание на присутствие каких‑то новых частиц. У нас было бы научное доказательство существования Новой физики, и мы бы знали, при каких энергиях ее надо искать.

Знаете, какой тайной надеждой тешили мы себя в 2012 году? Только что открытый бозон Хиггса послужит нам в качестве портала в Новую физику и станет первым звеном в длинной цепи открытий.

Конец Вселенной

Электрослабый вакуум играет ключевую роль в эволюции Вселенной. После того как мы измерили с высокой точностью массу бозона Хиггса, в теории не осталось свободных параметров и мы можем воспользоваться Стандартной моделью и всем тем, что знаем о квантовой теории, для того, чтобы изучать эту самую эволюцию. В частности, едва только мы обнародовали первые данные относительно бозона, различные группы теоретиков спросили нас: а что бозон Хиггса с массой 125 ГэВ говорит нам об устойчивости электрослабого вакуума?

Сформулированный таким образом, этот вопрос кажется адресованным только специалистам, но в действительности он касается всех людей, потому что речь тут идет о судьбе нашей Вселенной. Спонтанному нарушению симметрии вакуума принадлежит решающая роль в регуляции механизма, определяющего правила игры фундаментальных взаимодействий и, соответственно, придающих очень специальную форму окружающей нас Вселенной. Характеристики электрослабого вакуума, при которых слабые и электромагнитные силы разделяются, можно изучать как функции многих переменных; две важнейшие из них – это массы топ-кварка и бозона Хиггса, двух самых тяжелых частиц в Стандартной модели. Теперь, хорошо зная эти две величины, стало возможно вычислить, как будет вести себя электрослабый вакуум в зависимости от энергии, и понять, как он сформировался в первые мгновения жизни Вселенной, а также сделать некоторые предположения относительно его эволюции в будущем.

Проведенные вычисления были довольно упрощенными. Предполагалось, что Стандартная модель справедлива при любых энергиях, а эта гипотеза, как мы знаем, может и не быть верна. Кроме того, не принималась в расчет та роль, которую могла играть гравитация, – а это может оказаться слишком грубым допущением, поскольку мы пока не поняли, что происходит при высоких энергиях с этим самым загадочным из взаимодействий. Тем не менее были получены весьма интригующие результаты, которые вызвали горячие споры, длящиеся до сих пор.

Используя массы топ-кварка и бозона Хиггса, можно построить своего рода диаграммы состояния электрослабого вакуума, то есть график, похожий на те, с помощью которых характеризуется физическое состояние жидкости, например воды. В самом деле: мы знаем, что в зависимости от давления и температуры вода может находиться в жидком, твердом или газообразном состоянии. В обычном состоянии, то есть при атмосферном давлении, при температуре ниже 0 °C вода замерзает, при температуре от 0 °C до 100 °C находится в жидком состоянии, а при температуре выше 100 °C переходит в газообразное состояние. Что‑то подобное происходит и с электрослабым вакуумом, состояние которого может изучаться как функция массы топ-кварка и массы бозона Хиггса, играющих роль, аналогичную той, что давление и температура играют для воды.

И тут нас поджидает сюрприз. На основании этого исследования становится ясно, что наша Вселенная какая‑то очень специальная. При существующих совершенно особых значениях массы топ-кварка и массы бозона Хиггса она оказывается в метастабильном состоянии, то есть заключенной в узком промежутке между областью устойчивого равновесия и бездной тотальной нестабильности.

Если бы массы топ-кварка и бозона Хиггса были чуть‑чуть другими, электрослабый вакуум оказался бы настолько нестабильным, что в нем была бы невозможна никакая эволюция: микроскопический разрыв в квантовом вакууме, проделанный Большим взрывом, немедленно бы затянулся, и все бы закончилось, не успев даже начаться. С этими же “совершенно особыми значениями” электрослабый вакуум, напротив, смог удержаться и закрепиться надолго, на целые миллиарды лет, позволив эволюции довести дело до появления нас с вами.

Но и стабильность при этом совсем не абсолютна. Если в какой‑то части Вселенной по какой‑то таинственной причине возникнет сгусток энергии, в миллиарды раз превосходящий ту, что мы производим в LHC, электрослабый вакуум может разрушиться. По всей вероятности, этот разрыв не будет оставаться локальным. Когда в какой‑то одной области система устремится к новому равновесию, весь избыток энергии, аккумулированный вакуумом, превратится в излучение, а весь космос – в огромный огненный шар.

Итак, мы приходим к двум возможным сценариям конца Вселенной. Если электрослабый вакуум удерживается, темная энергия будет отталкивать все от всего до тех пор, пока мрак и холод не воцарятся беспредельно. Ну, а изменение структуры вакуума (то есть космическая катастрофа) может, напротив, прервать замороженный макабрический танец темной энергии и вытолкнуть нас с этой сцены куда более решительным и значительно более эффектным пинком.

Однако у нас есть чем утешиться: оба эти сценария, судя по тому, что нам известно на сегодняшний день, в ближайшее время не реализуются. Так что мы все еще можем строить планы на летние каникулы или мечтать о пенсии. Очень вероятно, что у Вселенной есть в запасе несколько миллиардов лет относительно спокойной жизни.

Но интригует меня в этой истории вот что: метастабильное состояние нашей Вселенной, похоже, определяет связь между бренностью человеческого существования и шаткостью Вселенной в ее целокупности. Хрупкость человеческих существ, ненадежность наших тел, которые могут быть напрочь испорчены одним-единственным фрагментом ДНК, если в нем что‑то вдруг не сложится, или простым падением с лестницы, словно бы отражает космическую бренность, присущую даже окружающим нас галактикам и их скоплениям, когда‑то казавшимся нам бессмертными.

Следствия гипотез относительно стабильности электрослабого вакуума сильно подогрели интерес к теориям, в которых фигурирует мультиверсум. Если принимается та точка зрения, что наша Вселенная – одна из множества других вселенных, характеризующихся различными и случайными начальными условиями, то чего удивляться, что у нас такие исключительные значения масс у топ-кварка и бозона Хиггса? Окажись они другими, времени жизни Вселенной не хватило бы на появление живых существ, достаточно умных, чтобы задавать такие вопросы[50]50
  Тут у автора несколько нарушена логика: совершенно очевидно, что он собирался написать: “В тех вселенных, где они другие, нет нужного времени на появление живых существ…” и т. д. по тексту.


[Закрыть].

Картина становится более простой и понятной. Представим себе ребенка с завязанными глазами, вытаскивающего случайным образом фанты с номерами из вращающегося барабана, – вроде того, что используют при игре в лото. Каждый номер задает значение некоей фундаментальной константы в данной вселенной. Для бесчисленного количества вселенных эволюция окажется кратчайшей. Для везунчиков – какое‑то время продлится. Наконец, для супервезунчиков она продлится миллиарды лет, как у нас.

Дабы разобраться во всем этом, нам надо, чтобы LHC продолжал свою работу, а мы продолжали исследовать природу и строить новые ускорители. Электрон-позитронные, чтобы использовать их как фабрики миллиардов копий бозона Хиггса для дальнейшего и точного измерения всех его параметров. Протон-протонные с высочайшей энергией, чтобы исследовать подробности спонтанного нарушения электрослабой симметрии и искать новые частицы и новые взаимодействия.

Так началась охота за Новой физикой.

Глава 9
Ворота в будущее

“Это примерно столько же, сколько мы потратили на «Интер» в последнее время!”

UX5, подземная камера CMS в Чесси,

18 мая 2011 г., 16.00

На сегодня я встречался уже с десятками министров и глав государств. Каждый раз, когда какая‑нибудь ВИП-персона решает навестить LHC и его эксперименты, служба протокола ЦЕРН привлекает нас. Гостей следует встретить у Р5 и сопроводить до подземного зала, где установлен CMS. Это входит в обязанности спикера и отбирает уйму времени. С тех пор как ЦЕРН стал появляться на первых страницах газет, визиты Важных людей случаются не менее двух-трех раз в неделю.

Я встречался с королем бельгийцев Альбертом II, Генеральным секретарем ООН Пан Ги Муном, Председателем Еврокомиссии Жозе Мануэлем Баррозу, а также с многочисленными министрами и президентами, включая Джорджо Наполитано. Мне случалось поболтать с такими интересными людьми, как Билл Гейтс и Илон Маск (последний неплохо заработал на изобретении PayPal, а теперь выпускает электромобили Tesla и космические корабли многоразового использования SpaceX). Я встречал тех, кто хотел все знать и потому выспрашивал у меня всяческие подробности. Но иногда мне приходилось терпеть невеж, которые думали лишь о собственном пиаре, позируя журналистам и раздавая интервью. Помню я и парочку министров с пустыми глазами – мыслями они были уже далеко и то и дело поглядывали на часы, недовольные, что их визит так затянулся.

Но нынче у меня совершенно особенный гость, из‑за которого Лучио Росси вот уже месяц не находит себе покоя, потому что все должно быть безукоризненно: к нам приезжает Марко Тронкетти Провера, главный исполнительный директор компании Pirelli и горячий поклонник футбольного клуба “Интер” (он является членом его административного совета). Мы с Лучио тоже тиффози миланского клуба, причем с самого детства; бывали годы, когда “Интер” не знал себе равных и побеждал во всех матчах. Но мы оставались ему верны и позднее, когда его черная полоса затянулась, у него ничего не клеилось и он на последних секундах проигрывал не только отдельные матчи, но и чемпионаты, которые, казалось, были уже у него в кармане.

К визиту Тронкетти Проверы Лучио приготовил специальный сюрприз. Делал все в секрете, никому – даже мне – ничего не говорил. Но когда мы вошли в SM18, огромный ангар, где проводятся тесты на магнитах, которыми руководит Лучио, этот сюрприз оказался прямо перед нами – и мы все разразились хохотом.

Магниты LHC содержатся в стальных цилиндрах длиной 15 м и диаметром 60 см. Все они окрашены в голубой цвет. Так вот: Лучио взял один из них и добавил черных полосок, так что теперь казалось, будто цилиндр облачен в черно-голубую майку. Фотография обессмертила нас троих на фоне этого интер-магнита.

Шутка Лучио поспособствовала созданию приятной атмосферы, так что визит прошел на удивление удачно. Тронкетти Провера – посетитель из разряда любопытствующих, с которыми мне легко общаться. Когда мы с ним спускаемся в подземный зал, он сразу замечает шкафы оптоволоконных кабелей и хочет знать, почему их так много. Я объясняю, что эти кабели передают сигналы от детекторов, которые затем дигитализируются и отправляются на компьютеры для реконструкции событий. Здесь собираются данные о сорока миллионах столкновений в секунду на LHC, на каждое из которых как правило приходится по 1 Мб; все данные, накапливаемые в этих информационных цепочках, суммируются в поток, сравнимый с тем, что “омывает” всю Землю. Точнее, обмен информацией внутри CMS удваивает объем информации, которой люди обмениваются друг с другом с помощью телефонов, компьютеров, телепередач, оптоволоконных кабелей и всего такого прочего.

Следующий вопрос вполне ожидаем: и сколько же все это стоило? Когда я называю общую стоимость CMS, а именно – 475 млн франков, Тронкетти Провера замечает: “Я думал, больше. Это примерно столько же, сколько мы потратили на «Интер» в последнее время!”

При всем моем уважении к футболу и болельщикам, я не мог не задуматься о странностях нашего мира, где тратятся такие суммы на поддержку в должной форме хорошей команды (а таких команд, заметим, несколько десятков), но не вкладывается столько же денег в познание тайн природы и прогресс нашего познания.