Поиск - новости науки и техники

Показались светлячки? Ученые подбираются к тайнам невидимой материи.

Уже год Большой адронный коллайдер работает при рекордных энергиях – семь триллионов электрон-вольт на каждое лобовое столкновение двух протонов. Увидели ли ученые контуры новой физики? Если нет, то почему? Ответы на эти и другие вопросы обсуждались на традиционном семинаре коллаборации RDMS CMS, цель которого – ознакомить научное сообщество с последними результатами, полученными в ЦЕРН. В этот раз докладчиком был главный научный сотрудник Лаборатории теоретической физики Объединенного института ядерных исследований доктор физико-математических наук Дмитрий Казаков. Его лекция “Первые результаты и тревожные ожидания” транслировалась в режиме конференц-связи в крупнейшие научные и учебные центры, расположенные в Москве, Томске, Кемерове, Новосибирске и в других городах нашей страны.
– Многие ожидают, что коллайдер в первые же месяцы работы откроет новую физику, но это не так, – начал свое выступление Дмитрий Игоревич. – Предстоят долгие годы скрупулезных исследований, прежде чем будет получено что-то важное и интересное. Тем не менее некоторые  выводы можно сделать уже сейчас.
Ключевую роль в современной физике играет так называемая Стандартная модель. Это теория, которая наиболее полно на сегодняшний день описывает взаимодействия элементарных частиц. Но на многие вопросы она ответа не дает. Например, масса каждой частицы найдена из эксперимента, но теоретики не знают, почему эта масса имеет именно такое значение, а, скажем, не в два раза больше или меньше. Невозможно рассчитать константы связи, характеризующие интенсивность сильного или слабого взаимодействия. В общем, многие ключевые параметры не рассчитаны из основных законов физики, а введены в теорию, что называется, “вручную”. И таких свободных параметров около тридцати – слишком много для фундаментальной теории.
Кроме того, в Стандартной модели отсутствует так называемая темная материя. По подсчетам астрономов, этой неизвестной субстанции в несколько раз больше, чем обычной материи, состоящей из знакомых химических элементов. Если вдруг неуловимые частицы начали бы светиться, то мы обнаружили бы, что все окружающее пространство заполнено ими – несколько десятков “светлячков” на каждый кубический метр. Причем они везде: в комнате, во дворе, в пруду и даже под землей. Двигаются быстро и свободно проходят сквозь стены и другие предметы. Уже 20 лет используются специальные огромные детекторы для их поимки, но пока они ничего не поймали.
Так, может быть, несветящиеся “светлячки” просто пригрезились астрономам?
Скорость, с которой движется Солнце вместе со своими планетами, включая Землю, вокруг центра нашей Галактики, известна из наблюдений. Ее также можно рассчитать, используя теорию гравитации. Так вот, измеренная скорость существенно выше расчетной. И это означает, что внутри солнечной орбиты присутствует некая дополнительная материя, которая никак себя больше не проявляет. Поэтому у астрономов две альтернативы: либо настаивать на наличии темной материи, либо изменить существующую теорию гравитации. Но для последнего пока нет никаких оснований.
А почему ученые уверены в существовании бозона Хиггса?
Дело в том, что в Стандартной модели отсутствует механизм, обеспечивающий появление масс у всех частиц. Поэтому предполагается, что должно быть некое неизвестное поле для генерации масс. Квант этого гипотетического поля получил название “бозон Хиггса”. Теоретики делают различные оценки для энергии, при которой он может появиться, но точно рассчитать ее не могут. В каком-то смысле поимка бозона напоминает поиск клада. Известны примерные границы территории, на которой зарыты “сокровища”. Некоторые ее участки уже хорошо были перерыты лет десять-двадцать назад, еще с использованием предыдущих, менее мощных ускорителей. Другие исследуют с помощью Большого адронного коллайдера.
Если бозон Хиггса найдут, его масса, возможно, будет вне диапазона, предсказанного Стандартной моделью. В таком случае предстоит выход за ее рамки. Путь, по которому следует идти, должен указать эксперимент. Сейчас разные теоретики склоняются к одной из двух альтернатив. Во-первых, оставить те же элементарные частицы: кварки, лептоны, нейтрино. Но добавить к ним новые поля, усложнив, тем самым, их взаимодействие между собой. Этот путь реализуется в суперсимметричных теориях и в моделях с дополнительными пространственными измерениями. Во-вторых, предположить, что элементарные частицы на самом деле не элементарные, а состоят из каких-то еще не известных частей.
Теоретики также склоняются к парадигме объединения: все силы представляют собой разновидности некой единой универсальной суперсилы. Еще несколько лет назад было популярно строить это объединение, используя так называемую теорию струн. В ней предполагается существование очень маленьких одномерных объектов, колебания которых порождают все известные частицы. Однако не поступило никакого экспериментального подтверждения – ни прямого, ни косвенного, что эта теория имеет отношение к реальности. Нужно подчеркнуть, что все теории великого объединения предсказывают распад протона. На знаменитой японской установке “Суперкамиоканде” искали этот распад, но безрезультатно. Вывод: время жизни протона превышает возраст Вселенной, по крайней мере, в триллион триллионов раз. Короче говоря, протон стабилен, чего не скажешь о самой Японии.
Что касается работы коллайдера, то благодаря достигнутой за короткий срок высокой энергии и светимости уже получены первые результаты. Найдены новые каналы распада у так называемых “очарованных” мезонов, замечены непонятные пока корреляции в угловом распределении рассеянных частиц. В столкновении тяжелых ионов подтверждены данные американского ускорителя RICH о предельно низкой вязкости кварк-глюонной плазмы. Не найдено никакой экзотики вроде рождения микроскопических черных дыр,  тяжелых частиц из дополнительных пространственных измерений, суперсимметричных партнеров обычных частиц, которые могли бы претендовать на роль темной материи.
Подводя итоги выступления, Дмитрий Игоревич напомнил, что плановая остановка коллайдера переносится на следующий год. Ускоритель настолько хорошо работает, что руководство ЦЕРН приняло решение повременить с его модернизацией.

Василий ЯНЧИЛИН

Нет комментариев