Шон Кэрролл - Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира
1970-е годы ознаменовались важным событием. Была поставлена последняя точка в создании лучшей теории физики элементарных частиц, получившая совсем не соответствующее ее статусу скучное название «Стандартная модель». Стандартная модель – это именно та теория, которая описывает кварки, глюоны, нейтрино и все прочие виды элементарных частиц, о которых вы, возможно, слышали. Как и голливудские знаменитости или харизматичные политики, научные теории могут по воле судьбы как быть вознесены на пьедестал, так и легко с него низвергнуты. Вы не станете знаменитым физиком, доказав правильность чужой теории, но можете прославиться, доказав, что чья-то теория неверна, и предложив лучшую.
Но Стандартная модель остается незыблемой как скала вот уже несколько десятилетий – все эксперименты, которые ученые смогли провести здесь, на Земле, неизменно подтверждали ее предсказания. Целое поколение физиков, работающих в области элементарных частиц, прошли путь от студентов до профессоров, так и не открыв ни одного нового явления. Больше ждать было невмоготу.
Но теперь все стало меняться – появился Большой адронный коллайдер, который ознаменовал собой новую эру в физике: стало возможно сталкивать частицы при энергиях, прежде недоступных человечеству. И это не просто «высокие энергии». Это энергии, о которых ученые мечтали в течение многих лет и которые, надеемся, позволят обнаружить новые, предсказанные теоретиками частицы. А если повезет, нас ждут сюрпризы – ведь в этом диапазоне энергий прячут свои секреты силы, называющиеся «слабыми взаимодействиями».
Ставки высоки. Когда впервые заглядываешь в неизведанное, всякое может случиться. Существует огромное количество конкурирующих теоретических моделей, пытающихся предсказать то, что обнаружит БАК. Однако никогда не знаешь, что увидишь, пока не посмотришь. В эпицентре всех ожиданий находится бозон Хиггса, непритязательная частица, последний недостающий элемент Стандартной модели, и возможно, свет мира, лежащего за ее, Стандартной модели, пределами.
Большая вселенная, сделанная из маленьких кирпичиков
На берегу Тихого океана в Южной Калифорнии, примерно на расстоянии полутора часов езды на машине на юг от моего дома в Лос-Анджелесе, расположено волшебное место, где оживают мечты – страна Лего, Леголэнд. На острове Дино, в Фан-Тауне и в других уголках этой страны дети восхищаются волшебным миром, искусно выстроенным с помощью элементов конструктора лего – крошечных пластиковых блоков, которые могут быть соединены друг с другом бесконечным количеством способов.
Страна Лего во многом похожа на реальный мир. Окружающая нас среда заполнена воздухом, водой и живыми организмами, а также предметами, сделанными из разных веществ: дерева, пластмассы, ткани, стекла, металла. Эти вещества все очень разные, с очень разными свойствами. Но, приглядевшись к ним внимательнее, мы обнаружим, что в действительности все они по существу не слишком отличаются друг от друга. На самом деле они представляют собой просто-напросто различные комбинации небольшого количества фундаментальных строительных блоков. Эти строительные блоки и есть элементарные частицы. Как и здания в Леголэнде, столы, автомобили, деревья и люди представляют собой самые разнообразные конструкции, которые можно сложить из небольшого набора простых элементов, соединяя их друг с другом различными способами. Правда, атом примерно в триллион раз меньше блока Лего, но принципы построения схожи.
Мы считаем само собой разумеющимся, что вещество состоит из атомов. Это то, чему нас учили в школе, а в химических аудиториях, где мы делали опыты, на стене висела периодическая таблица элементов Менделеева. Есть вещества твердые и мягкие, легкие и тяжелые, жидкости и газы, прозрачные и мутные, а есть еще живые и неживые. Они все такие разные, но по существу, состоят из одних и тех же элементов, и это поразительно! В таблице Менделеева около ста атомов, и все вокруг нас – лишь разные их сочетания.
Идея о том, что строение окружающего мира можно объяснить в терминах нескольких основных элементов, довольно стара. В древние времена мыслители разных народов – вавилоняне, греки, индусы и многие другие – придумали удивительно похожие наборы из пяти «элементов», из которых все сделано. Наиболее известные нам – это земля, воздух, огонь и вода. Но был также пятый – небесный элемент – эфир или, иначе, квинтэссенция. (Да, да, именно он дал название фильма с Брюсом Уиллисом и Милой Йовович – «Пятый элемент».) Как и многие другие идеи, идея о пяти элементах была превращена великим Аристотелем в тщательно продуманную систему. Он предположил, что каждый элемент стремится к своему особому естественному состоянию, например земля стремится к падению, а воздух – к подъему. Смешивая элементы в различных комбинациях, можно получить различные вещества, которые находятся вокруг.
Греческий философ Демокрит, предшественник Аристотеля, предположил: все, что мы знаем, состоит из определенных крошечных неделимых частичек, «атомов». К несчастью, в истории так случилось, что этот термин был использован химиком Джоном Дальтоном в начале 1800-х годов для обозначения химических элементов. В результате то, что мы теперь считаем атомом, совсем не является неделимой частичкой – атом состоит из ядра, в свою очередь состоящего из протонов и нейтронов, вокруг которого расположено облако вращающихся электронов. И более того: даже протоны и нейтроны не являются неделимыми – они состоят из более мелких частичек, называемых «кварками».
Кварки и электроны – вот это настоящие атомы в терминах Демокрита, то есть неделимые строительные блоки вещества. Сегодня мы называем их элементарными частицами. Из двух типов кварков, шутливо именуемых «верхними» и «нижними», образованы протоны и нейтроны в атомном ядре. Таким образом, в общей сложности нам понадобится всего лишь три вида элементарных частиц, чтобы составить каждый кусок вещества, из которого сделано все, что нас непосредственно окружает, – электроны, верхние кварки и нижние кварки. Это лучше, чем пять элементов древних греков, и намного лучше, чем больше сотни элементов периодической таблицы.
Сведение всех структурных элементов мира всего к трем частицам – это, конечно, слишком сильное упрощение. Да, электронов, верхних и нижних кварков достаточно для объяснения существования автомобилей, рек и щенков, однако они не единственные обнаруженные учеными частицы. На самом деле есть двенадцать различных видов «частиц материи»: шесть сильно взаимодействующих между собой кварков, которые заперты внутри более сложных образований, таких как протоны и нейтроны, и шесть «лептонов», которые могут существовать и свободно перемещаться в пространстве независимо друг от друга. А еще есть частицы-переносчики взаимодействий, при помощи которых «частицы вещества» удерживаются вместе в тех разнообразных комбинациях, которые мы видим вокруг. Без частиц-переносчиков взаимодействий мир был бы поистине скучным местом – разные частицы просто летали бы в пространстве по прямым, не взаимодействуя друг с другом. Вот тот очень небольшой набор частиц, объясняющий все, что мы видим вокруг нас, но, честно говоря, хотелось бы, чтобы он был еще проще. Физики, работающие сейчас в области элементарных частиц, движимы желанием придумать что-то получше.
Бозон Хиггса
Вот и вся Стандартная модель физики элементарных частиц: двенадцать частиц вещества, плюс группа частиц-переносчиков взаимодействия, необходимых для удержания всех их вместе. Итак, мы собрали все элементы, необходимые для правильного описания мира вокруг нас, по крайней мере здесь, на Земле. Однако когда мы говорим о космосе, то сталкиваемся со свидетельствами существования таких субстанций, как темная материя и темная энергия, постоянно напоминающих нам о том, что мы далеко не все еще понимаем. Эти явления совершенно точно не могут быть объяснены в рамках Стандартной модели.
Почти все частицы Стандартной модели четко делятся на «частицы вещества» и «частицы-переносчики взаимодействий». А вот бозон Хиггса не принадлежит ни одной из этих категорий, он вроде как гадкий утенок среди лебедей. Он был назван в честь шотландского физика Питера Хиггса, который почти одновременно с еще несколькими учеными предложил идею этого бозона еще в 1960-х годах. Переходя на профессиональный язык, можно сказать, что эта частица – переносчик качественно другого взаимодействия, отличающегося от остальных хорошо знакомых нам взаимодействий. С точки зрения физика-теоретика, бозон Хиггса кажется причудливой искусственной вставкой, нарушающей выстроенную красивую структуру. Без бозона Хиггса Стандартная модель была бы воплощением элегантности и совершенства, а его присутствие порождает некоторый хаос, причем найти виновника этого хаоса оказалось довольно сложной задачей.
