Текст книги "Тончайшее несовершенство, что порождает всё. Долгий путь частице Бога и Новая физика, которая изменит мир"
Автор книги: Гвидо Тонелли
Жанр: Историческая фантастика, Фантастика
Возрастные ограничения: +12
сообщить о неприемлемом содержимом
Текущая страница: 20 (всего у книги 21 страниц)
Понять секреты далеких катастроф
И вот наконец мы добрались до краеугольного камня всех наших проблем: нам надо понять, что из себя представляет самое очевидное, но и самое неуловимое из всех взаимодействий – гравитация. Столетия спустя после Галилея и Ньютона поколения физиков не перестают задаваться вопросами об этой столь привычной для нас всех силе и о роли, сыгранной ею в первые мгновения жизни Вселенной. Гравитация до сих пор, причем весьма успешно, уворачивается от любых попыток применить к ней те же правила, которые позволили разобраться со всеми другими взаимодействиями: квант этого взаимодействия, гравитон, остается таинственной частицей; никому все еще не удалось ни зарегистрировать гравитационные волны, ни построить убедительной теории квантовой гравитации. Но прогресс в этой области идет быстро, так что великие открытия не заставят себя ждать.
Эксперименты по прямой регистрации гравитационных волн уже достигли весьма высокого уровня зрелости – в особенности с тех пор, как в игру вступили большие интерферометры. Гравитационные волны – это легкая рябь в пространстве-времени, предсказанная общей теорией относительности, но она до сих пор оказывалась настолько слабой, что все попытки ее обнаружить оставались безуспешными. Непрямые свидетельства гравитационного излучения были получены при наблюдении сжатия орбит некоторых пульсаров в двойных звездных системах. Пульсары – это исключительно компактные космические объекты, размером в несколько десятков километров, но при этом обладающие массой до двух солнечных. Это звезды с очень сильным магнитным полем, вращающиеся с совершенно невообразимой угловой скоростью, из‑за чего с их полюсов излучаются электромагнитные импульсы (отсюда и их название Pulsar – сокращение от Pulsating Radio Star[65]65
Звезда с пульсирующими радиосигналами (англ.).
[Закрыть]). Когда две нейтронные звезды образуют двойную звездную систему, обе они начинают стремительно обращаться по эллиптическим орбитам вокруг центра масс системы; в этих условиях, как предсказывает общая теория относительности, часть их орбитальной энергии излучается в виде гравитационных волн. А уменьшение орбитальной энергии означает, что орбита со временем сжимается. Это явление продемонстрировали наблюдения, выполненные впервые Расселом Халсом и Джозефом Тейлором, когда они работали на огромном радиотелескопе Обсерватории Аресибо в Пуэрто-Рико и изучали, что происходит с пульсаром В1913+16. За это свое открытие они были удостоены Нобелевской премии 1993 года.
С этого момента прямая регистрация гравитационных волн стала приоритетной задачей, увлекающей сотни ученых и притягивающей к себе внимание больших исследовательских организаций. Мобилизованные ресурсы позволили соорудить современные инфраструктуры на базе огромных интерферометров.
Принцип работы этих инструментов прост: луч лазера расщепляется на два луча, направляемых перпендикулярно друг другу. Несколько километров каждый из них проходит в глубочайшем вакууме, а потом отражается от зеркала и возвращается назад в том же самом вакууме. Встречаясь, эти два луча складываются в интерференционную картину, чутко реагирующую на малейшую разницу их оптических путей. Если проходит гравитационная волна, возмущение пространства-времени приводит к удлинению одного плеча и укорочению другого, и из этой крошечной разницы рождается сигнал.
Инструменты, используемые в исследованиях гравитационных волн, относятся к разряду наиболее изощренных изобретений человеческого ума. В настоящее время они способны обнаружить разницу двух оптических путей в 10–19 м, то есть в одну десятитысячную диаметра протона. Столь высокая чувствительность необходима для того, чтобы была хоть какая‑то надежда зарегистрировать сигнал от прохода гравитационной волны.
Явления, способные рождать достаточно заметные гравитационные волны, происходят на очень больших расстояниях от нашей планеты. Если мы воспользуемся аналогией с электромагнитным излучением, то можно сказать, что для гравитационной волны нужно ускоренное движение гравитационного заряда, то есть какой‑то массы. Но гравитация до того слаба, что требуются огромные массы, движущиеся с колоссальным ускорением, – только тогда гравитационная волна окажется достаточно сильной, чтобы оставить сколько‑нибудь заметные сигналы в экспериментальной установке на Земле. Речь идет об отслеживании космических катастроф – вроде взрывов сверхновых, слияния двойных систем нейтронных звезд с образованием черной дыры или о слиянии двух сверхмассивных черных дыр. Теория предсказывает, что на финальной стадии таких явлений излучаются гравитационные волны большой мощности, – но их интенсивность с расстоянием быстро убывает. Однако это гравитационное излучение, хотя и ослабленное, может стать источником обнаруживаемых сигналов в земных интерферометрах, если расстояние излучающих небесных тел не превосходит 100 миллионов световых лет. Чем больше чувствительность инструментов, тем больше радиус слышимости (то есть количество галактик, которые можно одновременно держать под наблюдением), а значит и выше вероятность заметить какое‑то из этих событий, которое позволит воскликнуть: Эврика!
Увеличение чувствительности подразумевает борьбу с шумами. Расстояние между зеркалами непрерывно изменяется по множеству причин, и все эти причины надо контролировать. Подвесы зеркал укреплены на земле, и с какими бы предосторожностями это ни делалось, на их положение влияют мельчайшие сейсмические волны в земной коре. Отдельные исследования проводятся для создания сложных демпфирующих систем, которые были бы способны гасить любые возмущения, передаваемые через атмосферу или почву, каков бы ни был их источник – проезжающий вдали грузовик или пролетающий высоко в небе самолет, шелестящая от ветра листва, бьющиеся о скалы морские волны или течение реки. Кроме того, надо учесть броуновское движение самих зеркал, квантовые флуктуации числа фотонов, испускаемых лазером и отражаемых затем зеркалами, и много других подобных факторов. Необходимы тысячи ухищрений, чтобы удалить все эти возмущения и найти способ слышать только едва различимый шорох, издаваемый гравитационными волнами. Это можно сравнить с поиском глубочайшей тишины, чтобы дать возможность уху уловить далекое эхо отрыжки черной дыры, проглотившей красного гиганта в десять масс Солнца на расстоянии в пятьдесят миллионов световых лет, или характерное лопотание двух черных дыр, поглощающих друг друга в пароксизме макабрического танца на все более тесных орбитах.
Чтобы компенсировать шумы и увеличить чувствительность, были построены новые инструменты, работающие в режиме совпадения друг с другом. Зная расстояния между интерферометрами, можно вычислить задержку, с которой один и тот же сигнал от гравитационной волны должен регистрироваться в разных экспериментах, и получить, таким образом, в свое распоряжение дополнительное средство борьбы с шумами. В ведении Обсерватории LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory[66]66
Обсерватория гравитационных волн с лазерным интерферометром (англ.).
[Закрыть]) находятся три больших интерферометра в США: один в Ливингстоне, штат Луизиана, а два других в одних и тех же трубах с глубоким вакуумом на территории давно выведенного из эксплуатации Хэнфордского комплекса по соседству с городом Ричленд, штат Вашингтон. Команды трех американских инструментов сотрудничают и обмениваются данными с итало-французским интерферометром Virgo[67]67
Дева (лат.).
[Закрыть], названным так по месту скопления 1 500 галактик в созвездии Девы в 50 млн световых лет от нас. Еще три интерферометра меньших размеров и чувствительности находятся в Германии и Австралии, и есть планы установить еще один в Индии.
До сих пор ни одному из них не удалось зарегистрировать сигнал от гравитационной волны, но прогресс в улучшении чувствительности, достигнутый в последние годы, внушает всем определенный оптимизм, так что уже готовятся шаги, которые надо будет совершить после регистрации события. Поимка того, кто идет сейчас первым номером в списке главных разыскиваемых, станет не просто великим событием в истории науки, но и положит начало новому разделу астрономии. Наблюдать Вселенную можно будет в совершенно иной перспективе, комплементарной ко всем ныне существующим. При помощи новых инструментов, установленных также в Южном полушарии, можно будет обнаружить новые источники гравитационных волн и построить картину Вселенной, опираясь на источники, отличные от уже известных. Информация, которая будет использовать и весь частотный спектр электромагнитных излучений, и космические лучи, и нейтрино, и гравитационные волны, позволит по‑иному взглянуть на очень далекие космические катастрофы, благодаря чему родится более глубокое понимание нашей Вселенной. Дальнейшее улучшение чувствительности до предельных значений позволит исследовать реликтовые гравитационные волны, эхо Большого взрыва, и через это, возможно, понять роль, которую гравитация играла в первые мгновения жизни Вселенной.
А потому некоторые исследователи уже начали задумываться об интерферометрах, размещенных на орбите: инструментах, перемещающихся под действием солнечной гравитации вдали от любых сейсмических возмущений; они движутся в самом глубоком из возможных вакуумов – звездном вакууме – и пользуются лазерным лучом длиной в миллионы километров. Это проект eLisa (evolved Laser Interferometer Space Antenna) Европейского космического агентства, для которого проводятся технико-экономические испытания и который может быть выведен на орбиту в 2034 году.
Для выполнения этих новых задач потребуется новое поколение ученых, способных совершить качественный скачок в придумывании еще более изощренных инструментов и еще более продвинутых технологий их изготовления. Человечеству требуются молодые блестящие умы, которые придадут новый импульс процессу познания.
Эпилог
Бонобо, шимпанзе и сверхновые
Мы не единственные антропоморфные приматы, обладающие способностью строить картину мира. Палеоантропологи уже довольно давно смогли выделить некоторые линии среди гоминидов, развивавшиеся параллельно с видом Homo sapiens, к которому относимся мы сами. Мы заселяли Землю не в одиночку – одновременно с нами то же делали шимпанзе и бонобо, орангутаны и гориллы. С нашими ближайшими родственниками, которых мы лишь недавно признали в качестве таковых, нас объединяет не только значительная часть генетического кода: мы социальные животные, мы пользуемся какими‑то формами языка, мы участвуем в ритуалах и церемониях, а главное – у нас есть способность выстраивать картину мира.
Всем видам гоминидов это давало колоссальное эволюционное преимущество. Суметь изготовить орудие для добывания пищи, то есть найти подходящий камень, которым можно расколоть большой орех, или достаточно гибкую ветку, которую можно просунуть в дупло, где пчелы сделали мед, – для решения подобных задач требуются ясные представления о себе и об окружающем мире. Умение самоорганизоваться до такой степени, чтобы предупреждать свой клан о любых опасностях, предполагает ясное осознание целей своих действий и трансляцию своих знаний потомкам.
Успехи Homo sapiens в адаптации к самым разным внешним условиям ярко проявлялись издавна, но на протяжении последних четырехсот лет стало происходить нечто совершенно особенное, давшее нашему виду мощный импульс к заселению всей планеты. Мы обзавелись инструментом, который позволил выстроить намного более изощренную и сложную картину мира, чем любая из существовавших ранее. Этот инструмент называется научным методом; он появился совсем недавно, и благодарить за него следует итальянского ученого Галилео Галилея.
Когда в 1604 году на небе вспыхнула новая звезда, никто в Европе не обошел ее своим вниманием. Теперь мы знаем: то была сверхновая, которую назвали SN1604 – в соответствии с современной номенклатурой, включающей в обозначение год взрыва этой звезды. Заинтересовавшись наблюдением звезд, Галилей решил усовершенствовать примитивные оптические зрительные трубы и превратить их в инструмент научного исследования. Как только этот инструмент достиг достаточной кратности, Галилей приступил к наблюдениям Луны и основных планет Солнечной системы. Его внимание привлек Юпитер и странные звездочки вокруг него, совершающие некие чудные движения. Галилей пришел к выводу, что это, вне всяких сомнений, – спутники Юпитера.
Галилей увидел то, чего видеть был не должен: Луна оказалась не совершенной неизменной звездой, как тогда полагали, а небесным телом с горами и долинами, похожими на земные; вокруг Юпитера, как выяснилось, обращаются спутники, которые пизанский ученый назвал Медицейскими звездами[68]68
Автор называет Галилея пизанским ученым, так как Галилей родился в городе Пизе. Однако на момент открытия он работал в Падуанском университете на территории Венецианской республики. Открытые им звезды он назвал Медицейскими в честь семьи Медичи, великих герцогов Тосканы. Вскоре после этого он стал придворным философом Медичи и переехал во Флоренцию, в то время столицу великого герцогства.
[Закрыть] и которые вместе с самим Юпитером образуют что‑то вроде Солнечной системы в миниатюре. И Галилей мало того, что наблюдал все это, но еще и осмелился описать свои открытия.
Когда он в 1610 году опубликовал свою первую книгу “Звездный вестник”, никто, разумеется, не мог даже представить, что описанные там астрономические наблюдения не только принесут автору множество несчастий, но и навсегда изменят мир. Причем речь идет об эпохальном изменении, эффект от которого может быть уподоблен эффекту от таких величайших революций, как возникновение языка, или живописи, или введение в употребление символов.
Галилей, можно сказать, стоял у истоков современности. Для того чтобы лучше понимать окружающий мир, чтобы выстроить более сложную его картину, не обязательно разбираться в том, что написано об этом в книгах или что доносит об этом традиция. Человек становится свободным; он сам, своим умом, опираясь на собственное воображение, ищет объяснений тому, что происходит вокруг. С помощью рационально организованных экспериментов исследуется природа, строятся предположения и проверяются их следствия; если же то или иное предположение опровергается, так как оно не в силах объяснить явление полностью, надо искать другую гипотезу. Так наука расширяет свои горизонты, исправляет свои ошибки и устраняет ограничения, приобретая ту способность предвидения, которая делает ее движущей силой все более глубоких перемен.
Перед нами сегодня стоят новые задачи, которые практически наверняка потребуют иной парадигмы мировосприятия. Возможно, начало ей положило именно открытие бозона Хиггса. Возможно, человечество вот-вот стремительно ускорит свое развитие и изобретет технологии, представляющиеся нынче немыслимыми.
Я не знаю, сколько времени понадобится для того, чтобы в физике произошла очередная концептуальная революция, – может, десятилетия, может, даже больше. Но я уверен, что ее исходной точкой станет появление физиков новой генерации, обладающих свежим взглядом, бесстрашием, готовностью показать всему миру, что они смогут преуспеть там, где предыдущие поколения потерпели крах.
Нам повезло жить в стране, где, несмотря ни на что, созданы прекрасные условия для молодых талантов, желающих посвятить свою жизнь поиску совершенства: тут есть долгая традиция физики высоких энергий, есть несколько прекрасных университетов и есть эффективные исследовательские организации, существующие на базе таких институтов, как INFN, – со своими лабораториями и инфраструктурой, которым может позавидовать весь мир.
И я, автор этой книги, очень надеюсь, что она вдохновит каких‑то юношей и девушек отправиться на поиски приключений, которые навсегда изменят не только их, но и – кто знает! – нашу с вами жизнь.
Благодарности
Прежде всего я хотел бы поблагодарить Фабиолу Джанотти, Мишеля Делла Негра, Петера Йенни, Джима Вирди, Джо Инканделу, Серджо Бертолуччи и Рольфа Хойера – моих попутчиков, с которыми во время этого волшебного путешествия я испытал самые сильные эмоции. Особая моя благодарность – Джорджо Брианти, Лину Эвансу, Стиву Майрсу, Лучио Росси, Роберто Сабану и сотням других физиков и инженеров, которые построили LHC и успешно поддерживали его в рабочем состоянии.
Я благодарен тем моим друзьям, с которыми я бок о бок трудился на CMS. Это Ален Эрве, Остин Болл, Серджио Читтолин, Фабрицио Гаспарини, Игорь Голутвин, Дэн Грин, Даниэль Денегри, Тереза Родриго, Альберт де Рук, Джиджи Роланди, Боаз Клима, Вивек Шарма, Джанни Зумерле, Рино Кастальди, Марселла Диемоз, Умберто Досселли, Этторе Фокарди, Кирсти Аспола и Натали Блеш-Григгс.
Хочу выразить свою признательность всем тем, с кем мне доводилось встречаться на протяжении этих лет, и в особенности тем, чья роль была так велика, что они сами стали центральными действующими лицами этой истории: Карло Руббиа, Герарду ‘т Хофту, Джону Эллису, Сэму Тингу, Лучано Майани, У Сюлань, Марко Тронкетти Провере, Пьеро Луккини, Джованни Лайоле, Хосе Габриелю Фунесу, Ги Консолманьо.
Франсуа Англеру и Питеру Хиггсу, без чьей проницательности все, о чем рассказано в этой книге, никак бы не могло произойти, – мои крепкие объятия, в которые я также хотел бы заключить и сотни молодых людей, работавших на ATLAS и CMS: только благодаря их невообразимым усилиям наше открытие стало возможным.
Огромное спасибо всем тем, кто сподвигнул меня на написание книги: Лучане, спутнице всей моей жизни, а также Амиру Акселю, Сандро Гардзелле, Джанфранческо Джудичи и Андреа Парланджели.
И, наконец, совершенно особое место в моей памяти занимают три по‑настоящему необыкновенных человека, сыгравшие в этой истории очень важную роль и совсем недавно нас покинувшие: Питер Шарп, Эмилио Пикассо и Лоренцо Фоа.
Послесловие научного редактора
Строительство и запуск Большого адронного коллайдера, авария 2008 года, открытие бозона Хиггса в 2012 году и последующая работа LHC широко освещались в СМИ. Читая рассказ Тонелли, читатель наверняка вспоминал, что уже встречал то или иное событие в новостях или научно-популярных статьях. Из всего многообразия материалов на русском языке отдельно стоит упомянуть проект “Большой адронный коллайдер”, который я в течение десяти лет вел на научно-популярном портале “Элементы большой науки”, elementy.ru. Читатель сможет найти там подробный рассказ о технических аспектах коллайдера, о связанных с ним происшествиях и об устранении их последствий, а также обзоры научных результатов и изложение планов на будущее. Отмотав ленту новостей коллайдера на самое начало, на 2008 год, читатель сможет вновь погрузиться в ту будоражащую воображение атмосферу ожиданий, поиска, открытий, разочарований, методичной работы и постепенной реализации планов, которая вот уже второе десятилетие сопровождает работу коллайдера.
Поскольку я тоже долгое время писал научно-популярные материалы по теме книги, мне хотелось бы дополнить материал, изложенный Тонелли, некоторыми комментариями.
К истории возникновения хиггсовского механизма
В своем рассказе о том, как в 1964 году возникла теоретическая идея, названная впоследствии хиггсовским механизмом, Тонелли допускает некоторый исторический перекос. То, как разворачивалась эта история, не вписывается в формулировку “какие‑то молодые люди вдруг предложили идею, которая до тех пор никому не приходила в голову”. В 1964 году эта идея уже витала в воздухе и казалась достаточно естественным развитием теоретических публикаций нескольких прошлых лет.
Пожалуй, ключевой и по‑настоящему новой для физики элементарных частиц идеей стало предложение Йоитиро Намбу перенять из теории сверхпроводимости понятие спонтанного нарушения симметрии. До этого считалось, что если мы видим в мире элементарных частиц нарушение некоторой симметрии, то мы обязаны предложить теорию, в которой эта симметрия тоже нарушена по построению. Намбу же описал альтернативную возможность: мы предполагаем, что исходные законы природы симметричны, но сам микромир, пытаясь организоваться в конфигурацию с минимальной энергией, спонтанно, самопроизвольно нарушает эту симметрию.
Эта идея привела в начале 1960‑х к бурному переосмыслению того, как следует строить теории взаимодействий элементарных частиц, особенно в применении к сильным взаимодействиям, к свойствам адронов, которые тогда выглядели довольно загадочными. В течение нескольких лет теоретическое сообщество в научных статьях и на конференциях обсуждало, как совместить эту идею с теорией относительности. То есть идея витала в воздухе, но никак не удавалось найти ей корректного математического воплощения. В 1964 году бельгийцы Роберт Браут и Франсуа Англер и – чуть позже, но независимо от них – британский физик Питер Хиггс в своих коротких статьях наконец‑то построили нужное описание, по крайней мере для простейших вариантов взаимодействия. По этой причине теоретический механизм, сформулированный в их работах, зачастую называют механизмом Браута-Англера-Хиггса, добавляя иногда еще несколько имен физиков, на чьи идеи опиралась эта тройка.
Необходимо добавить, что ровно те же идеи в несколько ином оформлении были изложены еще в одной статье 1964 года. Ее авторами были трое физиков из лондонского Имперского колледжа: Джеральд Гуральник, Карл Ричард Хаген и Томас Киббл. Собственную версию механизма они построили независимо от Браута, Англера и Хиггса, но, когда статья уже была готова к отправке в научный журнал, они получили оттиски опубликованных статей бельгийцев и Хиггса и поняли, что несколько опоздали. Свою работу они опубликовали, но были вынуждены упомянуть и предшественников.
В 2004 году, когда строительство Большого адронного коллайдера шло полным ходом, Брауту, Англеру и Хиггсу была присуждена премия Вольфа по физике, неофициально считающаяся предвестницей Нобелевской премии. В 2010 году все шесть физиков разделили премию Сакураи, еще один престижный знак отличия в физике элементарных частиц. Наконец, в 2013 году, после открытия бозона Хиггса, Нобелевский комитет решил присудить Нобелевскую премию по физике Франсуа Англеру и Питеру Хиггсу – за теоретическое описание хиггсовского механизма. Роберт Браут ушел из жизни незадолго до этого; будь он жив, он, несомненно, тоже получил бы награду.
Следует добавить, что, независимо от всех перечисленных выше первооткрывателей механизма, ровно те же идеи и примерно в то же время разработали Александр Мигдал и Александр Поляков, в будущем – выдающиеся советские физики-теоретики, а в тот момент – студенты, которым было лишь по 19 лет. В своих воспоминаниях Мигдал рассказывает, что они написали статью и целых два года пытались опубликовать ее в отечественном журнале, но поначалу никто не хотел воспринимать их работу серьезно. Статья вышла в “Журнале экспериментальной и теоретической физики” лишь в 1966 году, когда, как говорится, поезд уже ушел, да и на Западе она долгое время была неизвестна. Тем не менее в сопроводительных материалах к премии 2013 года Нобелевский комитет воздает должное статье Мигдала и Полякова.
В своем описании событий 1964 года Тонелли допускает еще одно чрезмерное упрощение: он говорит, что после работ Хиггса и бельгийцев стало ясно, как возникает спонтанное нарушение симметрии электрослабого взаимодействия. Здесь несколько смазана последовательность событий. В 1964 году теории электрослабой симметрии еще не существовало, это более поздняя конструкция. И бельгийцы, и Хиггс строили свою теорию для очень упрощенного примера взаимодействий, а не для реалистичной ситуации. Мало того: гораздо более плодотворной выглядела в то время идея применить спонтанное нарушение симметрии к свойствам адронов – ведь кварковая структура адронов тогда только-только выходила на арену и не была общепринятой. Лишь несколько лет спустя, после построения теории электрослабых взаимодействий и включения в нее кварков и лептонов, стало отчетливо ясно, что хиггсовский механизм должен играть в ней ключевую роль.
Более подробную историю возникновения хиггсовского механизма и ссылки на исторические материалы можно найти в научно-популярной статье Иванов И. Нобелевская премия по физике — 2013. Элементы. ру, 10.10.2013.
Когда эта книга готовилась к печати, из Эдинбурга пришло печальное известие о кончине Питера Хиггса. Подробнее о жизни и работе скромного британского физика, ставшего мировой знаменитостью против своей воли, можно прочитать в научно-популярной статье Левин A. Тихий физик из Эдинбурга: памяти Питера Хиггса. Элементы. ру, 15.04.2024. Заинтересованному читателю можно также порекомендовать биографические книги о жизни Питера Хиггса (Frank Close. Elusive: How Peter Higgs Solved the Mystery of Mass. Basic Books, 2022) и Франсуа Англера (Losman D. Il n’est sagesse sans folie. La vie singulière de François Englert. Académie royale de Belgique, 2023).
Как обстоят дела в хиггсовской физикепо состоянию на 2024 год
Открытие бозона Хиггса в 2012 году ознаменовало собой не только кульминацию почти полувековых поисков этой уникальной частицы, но и начало новой эпохи в физике элементарных частиц – эпохи хиггсовских исследований. Нам открылась совершенно новая грань нашего мира, и физики, радостно потирая руки, принялись ее изучать. Популярный рассказ о состоянии физики частиц в тот знаменательный момент можно найти в новости Иванов И. Хиггсовский бозон: открытие и планы на будущее. Элементы. ру, 16.07.2012.
Рассказ Тонелли оканчивается 2015 годом: восторг открытия улегся, уступив место планомерной работе по изучению свойств хиггсовского бозона, попыткам обнаружить с его помощью какие‑то новые законы мироздания, получить прямые намеки на Новую физику. Кратко опишу, что произошло в этой области исследований за прошедшее десятилетие.
Изучение свойств бозона Хиггса подразумевает целый комплекс измерений. Эта частица исключительно нестабильна и спустя кратчайшую долю секунды после своего рождения в протонных столкновениях она превращается в более легкие и стабильные частицы. Однако распадаться она может на разные наборы конечных частиц, и каждый из ее каналов распада имеет четко определенную вероятность. Теоретики могут эти вероятности сосчитать в рамках Стандартной модели, а также в рамках разнообразных теорий Новой физики, а экспериментаторы могут их измерить. Чем больше событий рождения и распада бозона Хиггса задетектировано, тем точнее окажутся экспериментальные измерения и тем надежнее можно будет делать выводы о справедливости предсказаний Стандартной модели или об отклонениях от нее. Кроме того, процесс возникновения бозона Хиггса тоже может протекать по‑разному; все характеристики для любого канала его рождения можно с некоторой точностью вычислить теоретически и измерить в эксперименте. Наконец, для каждой конкретной комбинации рождения и распада бозона можно изучать распределения числа событий по энергиям или углам вылетевших частиц – и тоже сравнивать результаты с предсказаниями теории.
В течение последнего десятилетия из сотен таких исследований постепенно складывался “портрет” хиггсовской частицы. По мере того как накапливались данные и более прозорливыми становились методы их анализа, по мере появления новых идей и теоретических расчетов этот “портрет” становился все более отчетливым, в него добавлялись новые штрихи, исчезали белые пятна.
Работа Большого адронного коллайдера организована в многолетние сеансы, чередующиеся техническими паузами на ремонт и модернизацию. Первый сеанс набора данных, LHC Run 1, закончился в 2012 году, но полученные данные анализировались еще несколько лет. С 2015 по 2018 год прошел второй сеанс работы LHC Run 2 на повышенной энергии протонных столкновений, в ходе которого было собрано значительно больше данных. В 2022 году, после многолетней паузы, усугубленной, в частности, пандемией и ее ограничениями, стартовал рабочий сеанс Run 3. Результаты по хиггсовскому бозону, которые появляются сейчас, в 2024 году, в основном базируются на огромной статистике Run 2, иногда с добавкой прошлогодних данных.
В 2012–2015 годах, когда шла обработка данных Run 1 и все хиггсовские измерения еще обладали большими погрешностями, появились намеки на то, что свойства бозона Хиггса заметно расходятся с ожиданиями Стандартной модели. Каналы рождения и распада были ожидаемыми, но их вероятности, казалось, отличаются от стандартных. Более того, в 2015 году появились намеки на то, что бозон Хиггса может иногда распадаться на две разные частицы (мюон и тау-лептон), что в рамках Стандартной модели совершенно невозможно.
Любопытно, что намеки на отклонения появлялись не только в свойствах бозона Хиггса, но и в иных процессах рождения и распада частиц. В какой‑то момент таких намеков набралось свыше десятка, и у теоретиков разбегались глаза от выбора того, какие из них попробовать описать в рамках многочисленных моделей Новой физики. Надо, впрочем, подчеркнуть, что ни одно из отклонений не выглядело “железобетонным” открытием: погрешности были велики, и статистическая достоверность отклонения была недостаточной для того, чтобы экспериментаторы смогли заявить об однозначном открытии новых явлений. Однако среди теоретиков царило воодушевление: казалось, еще немного – и прекрасная Новая физика будет открыта. Эта ситуация (вместе с описанием каждого интересного отклонения) отражена на специальной странице “Загадки Большого адронного коллайдера: октябрь 2015” в тематическом проекте Элементы. ру.
А затем пошли первые данные сеанса Run 2 – и они стали безжалостно закрывать одно за другим обнаруженные ранее отклонения. Количество зарегистрированных событий резко возросло, погрешности уменьшились. Детекторы прошли апгрейд, точность их измерений возросла. Одновременно с этим совершенствовались и методы анализа данных, в них все более широко использовались нейронные сети и передовые методы машинного обучения. В книге Тонелли, кстати, описано самое начало активного внедрения этих методик: он упоминает многомерный анализ данных, на который начинают опираться молодые сотрудники, но высказывает опасения, что при таком сложном анализе есть риск потерять контроль над тем, что вы делаете. Сейчас, после десятилетия бурного развития, применение глубоких нейронных сетей в анализе коллайдерных данных стало нормой – и это, признаюсь, затрудняет для теоретиков понимание того, что же скрывается за тем или иным анализом.
Как бы то ни было, по мере появления все новых данных сеанса Run 2 становилось все яснее, что измеренные свойства бозона Хиггса согласуются с предсказаниями Стандартной модели в пределах десятка процентов. Фейерверка новых громких открытий, на который физики надеялись еще за несколько лет до этого, не случилось. Стандартная модель по‑прежнему дает наилучшее описание всей совокупности многих тысяч измерений в мире элементарных частиц, которые мы накопили к нынешнему моменту. В 2022 году, когда ЦЕРН отмечал десятилетие открытия бозона Хиггса, коллаборации ATLAS и CMS представили обзоры своих хиггсовских результатов за это время. Популярный очерк состояния дел в хиггсовской физике в 2022 году можно найти в новости Иванов И. Бозону Хиггса — 10 лет. Элементы. ру, 01.07.2022.
Правообладателям!
Это произведение, предположительно, находится в статусе 'public domain'. Если это не так и размещение материала нарушает чьи-либо права, то сообщите нам об этом.