Вся физика в 15 уравнениях - Бруно Мансулье
Яркое подтверждение
Остальное уже хорошо известно: десятилетие инженерного проектирования и дипломатии, чтобы убедить глав государств — членов ЦЕРНа и некоторых других стран; затем еще одно десятилетие строительства в ЦЕРНе и в большом количестве лабораторий во всем мире. И вот в 2008 г. на ускорителе БАК был наконец-то получен первый пучок. А в 2011 и 2012 гг. после столь суматошного запуска ускоритель и эксперименты на нем достигли высокого уровня производительности. У команд появилась возможность для активных поисков бозона Хиггса при многочисленных столкновениях протонов.
4 июля 2012 г. (важная дата для США[65]!), после более чем 20-летней подготовительной и всего лишь 2-летней работы БАКа, директора ЦЕРНа призвали к проведению внеочередного семинара в Большом зале под названием «Поиск бозона Хиггса на БАКе в экспериментах ATLAS и CMS». ATLAS и CMS — это две большие коллаборации (каждая включает около 3000 физиков), которые используют два огромных детектора, расположенных в двух противоположных точках вдоль кольца БАКа и в которых, собственно, и происходят столкновения протонов. Их сотрудники независимы и даже являются конкурентами, а полученные ими предварительные результаты держатся в строгом секрете.
Как и все мои коллеги из ATLAS, я знал результат, который доложит наш представитель Фабиола Джанотти[66], но не владел информацией, что скажет Джои Инкандела[67] из CMS. Только генеральному директору ЦЕРНа и обоим представителям коллабораций были заранее известны все результаты. Анализ данных, проведенный непосредственно нашей коллаборацией, подтвердил существование новой частицы, которая действительно очень напоминала бозон Хиггса. Мы могли бы предполагать, что раз такой семинар организован с приглашением представителей прессы и делегатов государств-членов, то и нашими конкурентами также получен положительный результат. Когда мы вошли в аудиторию, Питер Хиггс и Франсуа Энглерт, приглашенные ЦЕРНом[68], уже находились там. Но будут ли эти два результата совместимы? Для нас, специалистов, было важно, каковы в деталях доказательства, полученные другой коллаборацией, если таковые имеются. Мы были готовы сравнить каждый зафиксированный распад, каждое число с тем, что получили в наитруднейшем эксперименте.
Джои почти целый час представлял доклад о результатах CMS. После него Фабиола доложила о тех результатах, которые получила ATLAS. Зал наполнился долго нескончаемыми аплодисментами, а мы отправились на пресс-конференцию, после завершения которой каждого из нас, представлявшего ту или иную страну, журналисты попросили прокомментировать произошедшее. Это продолжалось еще в течение нескольких часов.
Ближе к вечеру у меня появилась возможность остаться наедине с самим собой и, немного расслабившись, отдохнуть в тихом месте. Я вновь находился в состоянии замешательства и как бы пограничном состоянии сознания из-за явной нехватки сна после всех дней и ночей, отданных для того, чтобы подвергнуть тщательному анализу полученные данные. Мне вспомнился первый визит в ЦЕРН, те самые дыры в бетоне. Мы вновь оказались здесь в 2012 г., и бозон Хиггса, изобретенный теоретиками в 1964 г., теперь был экспериментально подтвержден. Его масса составляла 125 ГэВ, что примерно в 130 раз больше массы протона. Теперь я мог спокойно идти спать.
Эпилог
Ограничения Стандартной модели… и физика будущего
Стандартная модель была завершена экспериментальным подтверждением существования бозона Хиггса. Питер Хиггс и Франсуа Энглерт в 1993 г. получили Нобелевскую премию. Но приключения на этом не закончились.
Фактически я кое-что ранее недосказал: лагранжиан, показанный в предыдущей главе, — это всего лишь шаблон для Стандартной модели. На практике данная модель содержит множество произвольных параметров и несколько случайных ограничений. Потому ее полный лагранжиан выглядит примерно как формула, что приведена на следующей странице[69]!
Выше же показано уравнение, о котором все физики могут пока только мечтать: идеально обтекаемое, с нулевыми свободными параметрами, «уравнение всего сущего» в некотором смысле. Как вы можете видеть, мы все еще довольно далеки от этого с нашей Стандартной моделью!
Неужели стандартная?
Прежде чем очертить ее ограничения, хотелось бы вернуться к самому названию «Стандартная модель». Это выражение интересно, потому что говорит о науке в самых разных смыслах. Она становится глобальной, поскольку все физики в мире используют один и тот же формализм, одни и те же обозначения. Они договорились, что определенная теория является общей для всех и что она объясняет экспериментальные измерения, выполненные до настоящего времени.
Здесь можно было бы видеть форму «диктатуры», где отвергается любая «нестандартная» идея. Действительно, как и многие мои коллеги, я получаю письма или послания от людей, которые думают, что открыли скрытый смысл мира, утверждая, что их отвергает мировая элита, отчего они лишены возможности опубликовать свои труды, да и вообще являются жертвами интеллектуальной тирании научного сообщества. В их воображении «Стандартная модель» — не что иное, как лживая догма[70].
А ведь все как раз ровно наоборот! Эта всеобщая стандартизация стала опять же формой смирения и открытости. Мы договариваемся о том, что является стандартным, стараясь как можно лучше обсудить, что может относиться к нестандартному. Модель постоянно анализируется, исследуется, препарируется, причем в мельчайших деталях. Изучили ли мы все предсказания, по крайней мере проверяемые? Можем ли мы представить себе новый эксперимент, который способен проверить Стандартную модель каким-либо иным способом?
Большая согласованность модели позволяет проверить ее с самых разных точек зрения: в столкновениях протонов сверхвысоких энергий на БАКе, при высокоточных измерениях на нескольких атомах или, опять же, из космических наблюдений. Откуда бы оно ни исходило, как только проводится новое измерение, научное сообщество сразу же сверяет его со Стандартной моделью. Согласуется ли оно с предсказанием модели для этого эффекта или нет? Вопреки идее тех, кто осуждает потенциальный научный империализм, мечта каждого физика — не подтвердить официальную теорию, а наоборот, найти в результатах каждого нового эксперимента определенный признак того, что Стандартная модель ошибочна[71].
Кроме того, даже если мы используем Стандартную модель каждый день, нам хорошо известны ее ограничения и несовместимость. Казалось бы, что с открытием бозона Хиггса в 2012 г. глава «Элементарные частицы» стала выглядеть полной и законченной, однако ее основные составляющие все еще пока остаются необъясненными. Например, материя состоит из двенадцати элементарных частиц, принадлежащих к трем семействам по четыре частицы в каждом: первое семейство — это то, из чего состоит обычная материя, а два других — копии первого, содержащие существенно более массивные частицы с аналогичными свойствами[72]. Почему существуют эти три семьи? Этого, увы,
