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

Незачем скрывать, что, на фоне завышенных ожиданий теоретиков, удручающе стандартный портрет бозона Хиггса стал для многих настоящим разочарованием. Но значит ли это, что Стандартная модель окончательно доказана и никакой Новой физики нет? Ни в коем случае. Уже давно понятно, что Стандартная модель не способна объяснить темную материю и происхождение наблюдаемого нами во Вселенной столь разительного дисбаланса между материей и антиматерией. Эти вопросы неизбежно относятся к миру элементарных частиц, и, раз Стандартная модель пасует перед ними, обязан существовать новый, более глубокий пласт реальности, на котором и найдутся эти ответы. Кроме того, даже внутри Стандартной модели есть загадки – например происхождение массы нейтрино или нарушение CP-четности, – которые требуют Новой физики. Поэтому в том, что Новая физика существует, сомнений нет. Вопрос лишь, при каких энергиях столкновений мы смогли бы увидеть прямые ее проявления.

Не исключено, что мы найдем свидетельства новых явлений на Большом адронном коллайдере, но чуть позже. Надо сказать, что сейчас, в 2024 году, маятник настроения теоретиков снова качнулся в сторону воодушевления. Появились новые намеки на экзотические частицы, возможно, на новые бозоны Хиггса с необычными свойствами. В отличие от ситуации десятилетней давности, эти намеки выдает нынешний коллайдер, обновленный и возмужавший, да и методы анализа данных сейчас куда прозорливее, чем в первые годы работы. Нынешний сеанс LHC Run 3 должен внести ясность в эту картину. Помимо того, график работы Большого адронного коллайдера расписан до 2042 года и ожидается, что к тому времени будет накоплено в 10–20 раз больше данных, чем сейчас. Так что мы пока находимся в начале пути, и не исключено, что коллайдер еще получит свою Нобелевскую премию по физике за обнаружение новых бозонов Хиггса или иных принципиально новых явлений.

Ожидания и реальность

В своей книге Тонелли описывает еще несколько потенциальных физических открытий и достижений, вызывавших в 2015 году воодушевление. Кратко прокомментирую, как изменилась ситуация за прошедшее время.

Прежде всего, хочу подчеркнуть, что связь между хиггсовским полем и космической инфляцией, которую автор упоминает в прологе и к которой возвращается в середине десятой главы, – довольно‑таки призрачна. Она вовсе не считается “мейнстримом”, основной рабочей гипотезой физиков. Хиггсовское поле, несомненно, играло важную роль в эволюции ранней Вселенной. Электрослабый фазовый переход, сопровождавшийся “переформатированием” всех существовавших тогда частиц, скорее всего, действительно произошел спустя крошечную долю секунды после Большого взрыва. Вполне возможно, что этот фазовый переход сыграл свою роль и в возникновении дисбаланса между веществом и антивеществом – хотя по этому поводу продолжаются дискуссии, поскольку без Новой физики тут уже не обойтись. Не исключено даже, что хиггсовский механизм как‑то причастен и к появлению и стабилизации темной материи – но тут же надо оговориться, что это лишь одна из многих теоретических гипотез. Все эти космические проявления хиггсовского поля – или нескольких хиггсовских полей – вполне активно обсуждаются в литературе по физике элементарных частиц. Но вот связь хиггсовского поля с гравитацией, с инфлатоном – уже из разряда более экзотических гипотез. Да, есть знаменитые работы на эту тему, однако они опираются не только на хиггсовское поле само по себе, но и на определенную модификацию самой гравитации. Это, в некотором смысле, “гипотеза в квадрате”. Посетите любую научную конференцию по свойствам хиггсовских бозонов и обратите внимание на первые слайды обзорных докладов. В них вы встретите многочисленные примеры того, зачем изучать хиггсовские бозоны, но вот связи с гравитацией вы почти наверняка не увидите. Эта очень гипотетическая связь – вовсе не главная движущая сила хиггсовских исследований.

Ситуация с суперсимметрией – еще одной темой, которая проходит через всю книгу, – несколько иная. Двадцать лет назад, когда полным ходом шло строительство Большого адронного коллайдера, возникшие за четверть века до этого суперсимметричные теории были исключительно популярным направлением в физике элементарных частиц за пределами Стандартной модели. Десятки исследовательских групп, сотни физиков-теоретиков работали над построением конкретных моделей и над расчетами предсказаний для коллайдера. Научное сообщество находилось в состоянии возбужденного ожидания, и многие теоретики готовились к тому, что открытия суперсимметричных частиц посыплются в первые же месяцы, даже недели полноценной работы LHC.

Однако шли годы, коллайдер накапливал статистику рекордными темпами, коллаборации ATLAS и CMS отчитывались о десятках, а затем – сотнях поисков проявлений суперсимметричных частиц, но никакого открытия не случалось. Это, конечно, не закрывает саму идею суперсимметрии; может быть, она действительно реализуется нашей Вселенной, просто ее проявления заметны лишь при очень больших энергиях, недоступных нынешним коллайдерам. Однако в таком случае теряется изрядная доля привлекательности суперсимметричной теории – ведь в самой естественной своей формулировке она как раз и предсказывала новые частицы на LHC.

После отрицательных результатов сеансов Run 1 и, в особенности, Run 2 энтузиазм по поводу возможного открытия суперсимметрии заметно подостыл. Многие теоретики, занимавшиеся суперсимметричными моделями, переключаются в последние годы на другие задачи. Тем не менее поиски тех или иных необычных проявлений суперсимметрии на LHC по‑прежнему ведутся. В конце концов, главная задача экспериментатора – проверить все, до чего эксперимент способен дотянуться.

А вот с другим давно ожидавшимся открытием – регистрацией гравитационных волн, дрожи самого пространства-времени, порожденной далекой космической катастрофой, – ситуация кардинально иная. Тонелли в конце книги кратко описывает работу тандема гравитационно-волновых обсерваторий LIGO и Virgo, которые к тому времени уже прошли несколько стадий апгрейда и были готовы вот-вот поймать первые гравитационно-волновые сигналы от слияния черных дыр в далеких галактиках. Автор не поскупился на эпитеты, окрестив грядущее открытие “великим событием в истории науки”, которое “положит начало новому разделу астрономии”.

И эти громкие слова полностью оправданы. Первый всплеск гравитационных волн, пришедший от слияния черных дыр на расстоянии свыше миллиарда световых лет от нас, был зарегистрирован 14 сентября 2015 года, и это событие одним махом расширило возможности астрономии и астрофизики. “Немое космическое кино” обрело звучание: если до этого человечество лишь наблюдало за далекими галактиками в разных диапазонах излучений, то теперь мы “услышали” звучание космоса и нам открылся недоступный ранее мир невидимых вселенских катастроф. Единомоментно были сделаны три открытия нобелевского уровня: зарегистрированы гравитационные волны, предсказанные Эйнштейном за век до этого; доказано, что черные дыры с массами в десятки солнечных масс существуют и сливаются друг с другом не так уж редко; в арсенале ученых впервые появился инструмент по прямой проверке эффектов сильной гравитации. В 2017 году Нобелевская премия по физике была присуждена Райнеру Вайссу, Кипу Торну и Барри Бэришу с формулировкой “за решающий вклад в создание детектора LIGO и регистрацию гравитационных волн”. Подробнее про само открытие и про долгий путь к нему можно прочитать в научно-популярных новостях Иванов И. Гравитационные волны – открыты! Элементы. ру, 11.02.2016 и Иванов И. Нобелевская премия по физике — 2017. Элементы. ру, 13.10.2017.

Сейчас гравитационно-волновая астрономия стала важнейшим разделом науки о космосе, составляющей комплексного подхода к изучению космических объектов, который получил название многосигнальной, или многоканальной, астрономии. К настоящему моменту зарегистрировано свыше сотни слияний черных дыр друг с другом и даже пойманы сигналы от слияния нейтронных звезд, видимых также и в разных диапазонах электромагнитных волн. Получены важнейшие результаты по астрофизике, по космологии, по физике элементарных частиц – ведь вещество внутри нейтронных звезд находится в совершенно экстремальных, нигде более не достижимых условиях.

Гравитационные волны от слияния черных дыр или нейтронных звезд колеблются довольно быстро, их период составляет сотые доли секунды. Но в июле 2023 года появилось сообщение о регистрации гравитационных волн совсем другого типа: очень медленных, с периодом в несколько лет. Результат, пусть пока и предварительный, был получен международным консорциумом обсерваторий International Pulsar Timing Array, и ведущую роль в нем сыграла коллаборация NANOGrav, в течение 15 лет наблюдавшая за сигналами от далеких пульсаров – сверхстабильных космических “секундомеров”. Происхождение этих гравитационных волн еще предстоит прояснить.

Наконец, полным ходом идет работа над созданием сразу нескольких гравитационно-волновых обсерваторий, которые в 2030‑х годах будут запущены в космос. Это американская установка LISA, китайская обсерватория TianQin и японский проект DECIGO. Там, вдали от земных шумов и колебаний, эти обсерватории будут ловить гравитационные волны с периодами от долей секунды до нескольких часов. Любопытно, что они позволят узнать нечто совершенно новое и о хиггсовском поле, – о том, как протекал электрослабый фазовый переход в ранней Вселенной, через какие промежуточные стадии проходил “горячий вакуум” спустя миллиардную долю секунды после Большого взрыва. Если гравитационно-волновой сигнал от глобальной перестройки ранней Вселенной действительно будет обнаружен, это станет еще одним впечатляющим мостиком, неразрывно соединяющим мир элементарных частиц и жизнь всей Вселенной в целом. Возможно, он поможет нащупать Новую физику.

Возвращаясь к собственно физике хиггсовского бозона, стоит обновить и информацию относительно проектов “фабрики хиггсовских бозонов”, то есть будущего электрон-позитронного коллайдера, призванного с высочайшей точностью измерить все свойства открытой десятилетие назад частицы. Проект Международного линейного коллайдера ILC длиной в десятки километров давно готов, и технологии, необходимые для его реализации, уже продемонстрированы, но начало работ упирается в экономические препятствия. Предполагалось, что коллайдер будет базироваться в Японии, где, несмотря на неспокойную в целом сейсмическую ситуацию, для него было найдено прекрасное, надежное место размещения. В течение нескольких лет научное сообщество ожидало от японского правительства решения о начале строительства, однако оно так и не было озвучено. В марте 2019 года Япония в достаточно обтекаемой формулировке дала понять, что не готова вкладывать миллиарды долларов в этот проект, хотя вообще‑то очень хотела бы поддержать реализацию коллайдера где‑либо в мире. Возможно, если бы ЦЕРН и международное сообщество в физике элементарных частиц гарантировали свой многомиллиардный вклад в строительство установки, Япония бы и “дала зеленый свет”, но это сообщество само ждет финансовые гарантии от Японии. В настоящее время ищутся варианты выхода из сложившегося финансово-административного тупика, и, хотя многие специалисты настроены не слишком оптимистично, от проекта ILC еще не отказались.

Проект циклического мега-коллайдера FCC в ЦЕРН выглядит более жизнеспособным. Работа над технологиями для нового поколения магнитов идет вот уже несколько лет и, несомненно, продолжится. Многотомный технический проект коллайдера был обнародован в начале 2019 года; в нем, в частности, сообщалось, что начать работу следует с электрон-позитронной версии FCC-ee и лишь спустя много лет переходить к протонным столкновениям. При таком поэтапном сценарии работа FCC продлится примерно до 2080‑х годов – для подобных колоссальных научных проектов горизонт планирования может составлять полвека и более! Параллельно идет работа над альтернативными вариантами хиггсовской фабрики. Инновационный линейный коллайдер CLIC должен быть компактнее, чем ILC, но требует развития и демонстрации новых технологий. Давно уже предлагается и совершенно иная установка: мюонный коллайдер, в котором вместо электронов и позитронов будут сталкиваться мюоны и антимюоны высоких энергий. Несмотря на то, что мюоны нестабильны, физики уверены, что успеют произвести их в нужных количествах, ускорить до сверхвысоких энергий и столкнуть до того, как они распадутся. Проект, однако, упирается в технические трудности – прежде всего в технологию охлаждения и фокусировки мюонных пучков.

Все перечисленные проекты обсуждаются с прицелом на их строительство в ЦЕРН. Конечно, все их реализовать не получится: при бюджете в миллиарды швейцарских франков денег хватит от силы на один. Но какой из них? Несколько лет назад, когда формировалась Европейская стратегия в физике частиц на 2020–2026 годы, главным приоритетом оставался LHC, но среди важных целей фигурировали и работы по реализации хиггсовской фабрики. Возможно, через пару лет при обсуждении стратегии развития физики частиц на следующий период будет принято четкое решение в пользу одного из вышеперечисленных проектов. Но это произойдет, только если научное сообщество вообще решится вкладываться сейчас в новый коллайдер; к сожалению, глобальные события последних лет оставляют этот вопрос в подвешенном состоянии.

Китайский проект циклического электрон-позитронного коллайдера CEPC тоже не стоит на месте. В самом конце 2023 года был опубликован технический проект коллайдера, однако “добро” на его строительство от правительства Китая пока не получено. Проект CEPC тоже заявляется как международный, и китайское коммьюнити, несомненно, будет горячо приветствовать вклад зарубежных коллег и компаний. Однако при необходимости Китай будет готов начать работу над его реализацией и своими силами. Поскольку планирование крупных проектов в Китае хронологически привязано к пятилетним планам и нынешняя, четырнадцатая, пятилетка продлится до 2025 года, новости по поводу готовности Китая строить CEPC следует ожидать ближе к концу 2025‑го.

В конце 2021 года в игру вступили и США со своим проектом линейного электрон-позитронного коллайдера C³ (Cool Copper Collider). Предложение было приурочено к обновленной стратегии развития американской физики частиц, однако какого‑либо решения по поводу строительства этой установки еще не принято. Наконец, в еще более далекой перспективе обсуждается и совершенно иной тип ускорителей, в которых частицы будут разгоняться до высоких энергий сверхсильным электрическим полем внутри ячейки с плазмой. Работоспособность такой удивительной схемы уже продемонстрирована: физики сумели ускорить электроны до энергий порядка ГэВ на дистанции меньше метра. Но удастся ли масштабировать установку до сотен метров и энергий в сотни ГэВ – пока неизвестно.

Дополнительные подробности о планах научного сообщества касательно хиггсовской фабрики можно найти в популярных материалах: Иванов И. Куда двигаться коллайдерной физике в следующем десятилетии? Элементы. ру, 20.08.2018 и Левин А. Владимир Шильцев о том, как изменится ускорительная физика в ближайшие десятилетия. Элементы. ру, 20.06.2019.

В целом, несмотря на очевидные трудности, кажется вполне вероятным, что хиггсовская фабрика, в том или ином виде, будет реализована и вступит в строй ориентировочно через десять лет. Физики глядят в будущее с осторожным оптимизмом и ожидают, что – благодаря LHC, новым коллайдерам, будущим гравитационно-волновым обсерваториям и другим физическим и астрофизическим установкам – 2030–2040‑е годы станут золотым веком в изучении хиггсовского бозона и, возможно, Новой физики.