Шон Кэрролл - Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира
Однажды Андерсон печально заметил: «Если вы хотите, чтобы история была написано правдиво и подробно, пишите ее сами». За последние несколько лет Гуральник, Хиггс, Киббл и Браут с Энглером – все написали воспоминания о своей работе в 1964 году, пытаясь представить в правильном свете свой собственный вклад. И вдруг (веяние времени!) по этому поводу разгорелась полемика в Википедии. В августе 2009 года пользователь, известный под ником «Мэри из ЦЕРНа», сделал новую запись, называвшуюся «1964 PRL (Physical Review Letters). Статьи по нарушению симметрии». В Википедии уже имелись отдельные статьи по темам: «Спонтанное нарушение симметрии», «Механизм Хиггса» и другие. В этой новой статье обсуждался вопрос о том, кому какие заслуги следует приписать, причем разбирались статьи всех авторов. Свое отношение автор выразил такими словами: «Первыми (на пару месяцев раньше) были опубликованы статьи Хиггса и Браута-Энглера, но ими решена лишь половина проблемы – приписана масса калибровочной частице. Гуральник-Хаген-Киббл, хоть и опубликовали статью пару месяцев спустя, решили более общую проблему: они не только придали массу калибровочной частице, но еще и показали, как избежать выполнения условий теоремы Голдстоуна». Но то, что один человек может написать в Википедии, другой может отредактировать, и текущая версия статьи является немного более беспристрастной.
Мне в общем-то не важно, кто получит Нобелевскую премию за открытие бозона Хиггса, если такое вообще случится. Нет у меня и никакого прогноза. (В 2013 году Нобелевскую премию в области физики за теоретическое обоснование существования бозона Хиггса получили Питер Хиггс и Франсуа Энглер. – Примеч. ред.) Премии тем хороши для науки, что привлекают внимание широкой публики к интересной работе, которая иначе могла бы остаться незамеченной. Но премии в науке не главное. Самая главная награда для ученого – открытие нового механизма или явления, и это гораздо больше, чем любая премия, которую может дать Нобелевский комитет.
По-настоящему обидно то, что никто из экспериментаторов не может получить Нобелевскую премию за экспериментальное обнаружение бозона. Тут количественная проблема: слишком много людей внесли вклад в эту работу, и просто невозможно выбрать из них одного, двух или трех самых достойных. Одним из достижений, безусловно достойных Нобелевской премии, является успешное сооружение самого БАКа, так что Лин Эванс был бы вполне достойным кандидатом на премию. Мне кажется, Нобелевскому комитету стоит подумать об ослаблении требований, запрещающих присуждать премию по любой науке коллаборациям, и тот, кто сумеет изменить эти правила, заслуживает, по-моему, премии мира.
Глава 12
Что скрывается за горизонтом
Мы пытаемся угадать, не скрываются ли за бозоном Хиггса миры с другими силами, симметриями и измерениями.
Уже в десять лет вид звездного неба завораживало Веру Рубин. С годами ее интерес к звездам только возрастал, и собираясь поступать в колледж, она решила изучать астрономию. Но шли 1940-е годы, и женщин в США к занятиям естественными науками допускали не очень охотно. Член приемной комиссии престижного колледжа Суортмор, который она выбрала, спросил Веру, нет ли у нее еще каких-нибудь увлечений, кроме астрономии. Она призналась, что обожает живопись, и ее собеседник ухватился за это и спросил: «А вы никогда не думали о том, чтобы стать художником и рисовать астрономические объекты?» В итоге она вместо Суортмора поступила в Колледж Вассара[12], но вопрос тот запомнила. Позже она вспоминала: «Это стало дежурной фразой в моей семье. Всякий раз, когда что-то у кого-то из нас шло не так, мы говорили: «А вы никогда не хотели стать художником и рисовать астрономические объекты?»
Рубин закончила колледж, потом продолжила обучение в аспирантуре Корнелла, а затем в Джорджтаунском университете. Это был нелегкий путь: например, когда она написала в Принстон и попросила прислать учебный план университетской аспирантуры, администрация университета ответила отказом, заявив, что отделение астрономии не принимает женщин в аспирантуру. (Отношение к женщинам в науке изменилось только в 1975 году.)
Один из секретов выдающихся ученых в том, что они заглядывает туда, куда другим и в голову не придет посмотреть. Когда появились мощные телескопы, многие астрономы первым делом стали изучать центральные области далеких галактик, где много звезд и идет кипучая деятельность. Рубин решила сосредоточиться на внешних, мало заселенных звездами областях галактики, и попытаться изучить динамику периферийных звезд и газа, медленно вращающихся на краю галактики. Такие наблюдения дают возможность определить ее общую массу: чем больше материи внутри галактики, тем выше гравитационное поле в местах расположения внешних звезд и тем быстрее они должны вращаться.
И вот тут Рубин и ее сотрудник Кент Форд обнаружили некую странность. Казалось бы, звезды должны двигаться все медленнее и медленнее по мере удаления от центра галактики, подобно тому, как замедляется движение планет Солнечной системы по мере их удаления от Солнца. Действительно, гравитационное поле там слабее, следовательно, должна быть меньше центробежная сила и, следовательно, нужна меньшая скорость вращения по данной орбите. Но Рубин и Форд обнаружили, что все происходит совсем иначе: они увидели, что звезды, расположенные на больших расстояниях от плотной центральной области галактики, движутся с той же скоростью, что и в центре. Разгадка оказалась простой, но такое было трудно вообразить: в галактике на самом деле намного больше материи, чем мы можем видеть, и большая ее часть, в отличие от видимых звезд, располагается вдали от центра галактики.
Рубин и Форд наткнулись на удивительное явление, которое в настоящее время составляет центральную проблему космологии, а именно – на темную материю.
Они не были первыми – еще в 1930-х годах швейцарско-американский астроном Фриц Цвикки показал, что в кластере галактик Кома находится гораздо больше материи, чем мы способны наблюдать с помощью телескопов, а голландский астроном Ян Оорт и в локальной окрестности нашей галактики обнаружил больше материи, чем казалось на первый взгляд. В течение долгого времени, однако, сохранялась надежда, что эту лишнюю материю просто «проглядели», и она на самом деле привычная, знакомая нам материя, но в такой форме, которую нелегко заметить. Когда ученые больше узнали о галактиках, их кластерах и Вселенной в целом, стало возможным точно измерить независимо два числа – общее количество материи во Вселенной и общее количество «обычной материи», где под обычной материей понимаются в том числе атомы, пыль, звезды, планеты и всякие разные известные частицы Стандартной модели.
И эти два числа не совпали! Общий объем обычной материи во Вселенной составляет лишь примерно одну пятую от общего количества материи. Подавляющая часть материи – это темная материя, и она не состоит из частиц Стандартной модели.
Бозон Хиггса – последний фрагмент пазла, которым является Стандартная модель, но Стандартная модель – не конец пути. Темная материя – лишь одна из множества загадок, которые еще только предстоит разгадать, а для этого потребуется новая физика. И кто знает, а вдруг Хиггс станет мостом между тем, что мы знаем, и тем, что мы только надеемся узнать. Возможно, дальнейшее изучение бозона Хиггса прольет свет на темные миры за пределами нашего собственного…
Ранняя вселенная
Давайте покопаемся в темной материи немного более тщательно, раз именно она предоставляет самые веские свидетельства того, что существует физика и за пределами Стандартной модели. Кроме того, на ее примере легче всего продемонстрировать, как бозоны Хиггса могут использоваться для построения новой физики.
Чтобы понять, что такое темная материя, давайте подумаем, откуда она взялась. Представьте, что у вас есть экспериментальный аппарат, построенный на базе суперпечи, то есть закрытый ящик с каким-то веществом внутри, и к нему приделана ручка, с помощью которой можно выставить какую угодно температуру – от самой высокой до самой низкой. Температура в обычной печи достигает, как правило, 250 °С, что в обычных единицах физики элементарных частиц составляет около 0,04 электронвольт. При этой температуре молекулы могут перестроиться (в быту это называется «печь пирог»), но атомы еще сохраняют свою целостность. Как только мы доведем температуру до нескольких электронвольт или выше, электроны оторвутся от своих ядер. Когда мы доведем температуру до миллионов электронвольт (МэВ), ядра сами разорвутся на куски, и образуются свободные протоны и нейтроны.
