Сделать былью. Станут ли фантазии физиков реальностью?

— За последние 50 лет произошла революция в нашем понимании природы, потому что совместными усилиями огромного коллектива людей очень многие факты, которые были не понятны в физике элементарных частиц, получили достаточно простое объяснение. Открытие бозона Хиггса — это величайшее достижение человечества. Наши поиски завершились созданием такой схемы, которая может уместиться на одном листе бумаги, как теория, и в то же время на микроскопическом уровне описывает фундаментальные законы всей природы. 

Стандартная модель оказалась компактной, она содержит малое количество частиц и взаимодействий внутри себя. В ней не хватало некоторых блоков, один из них — бозон Хиггса. Если открутить историю на несколько лет назад, когда он еще не был открыт, то, действительно, было много дискуссий, есть он или нет, будет ли он открыт, но альтернативы ему не существовало. Все то, что предлагалось помимо него, выглядело гораздо сложнее и с теоретической точки зрения не очень обоснованно. 

— Возникла несколько парадоксальная ситуация в физике частиц, когда были открыты основные законы о том, что есть сильное, слабое, электромагнитное взаимодействия. Проблемы теории состояли в том, что эти законы не соотносились с массами частиц. Возникал парадокс: вроде бы мы и законы знаем, и массы частиц известны, а одно с другим несовместимо. Противоречие разрешалось введением нового скалярного поля — тогда и симметрия сохранялась, и массы возникали. Бозон Хиггса стал неким краеугольным камнем: эта частица должна была подтвердить, что мы на правильном пути и именно так, как мы представляем, все в природе и устроено. За долгие годы поисков хиггсовского бозона (первые теоретические работы опубликованы в середине 1960-х) ученые не раз отчаивались его найти. И, отчаявшись, стали сомневаться: а может, и хорошо, что его нет, так даже интереснее, значит, нужны новые теории… Я-то как раз всегда был сторонником того, что самая простая схема — самая верная. Обнаружение бозона Хиггса — это очень удачное завершение всех поисков, показывающее, что чисто теоретические концепции, основанные на каких-то базовых понятиях, оказываются правильными и в природе реализуются. 

Если посмотреть на экспериментальные данные, которые у нас накопились, то они все укладываются в Стандартную модель. Нам не нужно никак ее трогать — она прекрасна и все описывает. Время от времени возникают небольшие расхождения, но потом они пропадают, так как выясняется, что либо эксперимент был проведен не очень хорошо, либо надо было сделать более точные теоретические расчеты. 

— Во всей этой концепции (СМ) есть определенное число параметров (около 30), но кроме них есть еще концептуальные вещи: модель сделана определенным образом. И нет ответа на вопрос: а почему, собственно, так? Мы, допустим, экспериментально установили, что есть три группы симметрий — а почему три? Или природа зачем-то потребовала иметь три копии элементарных частиц. Из первой “сделаны” мы с вами и весь мир, который мы наблюдаем. Но существуют еще две. Они отличаются только массой частиц, больше ничем. 

— Конечно. У электрона, который вращается в атоме, одна копия — мюон (тяжелый электрон), вторая (еще более тяжелая) — таон. Спрашивается, зачем нужны эти три лептона? То же самое с кварками. Мы сделаны из протонов и нейтронов, они, в свою очередь, — из верхнего и нижнего кварков. Природа зачем-то создала еще две копии. Мы их не видим и можем либо наблюдать эти тяжелые частицы в космических лучах, либо рождать их на ускорителях. Об этих трех копиях говорит и современная космология, и эксперименты на коллайдерах подтверждают их наличие. Но почему так, мы не понимаем. И подобных вопросов в СМ, когда мы знаем “как”, но не знаем “почему”, довольно много. Выясняется, что для ответа на них нам мало СМ. Нужно взглянуть на нее как бы со стороны, изнутри загадку не раскрыть.

— Дело не в альтернативе, а в расширении. Скажем, мы говорим, что СМ описывает определенные взаимодействия. Спрашивается, а есть ли в природе какие-то другие взаимодействия? И вообще, нужны они или нет? Эксперимент говорит, что не нужны — что мы видим, то и описываем. А космология утверждает, что видим мы далеко не все. Один из примеров — темная материя. Известно, что ее в пять раз больше, чем обычной материи. Современная теория гласит, что все галактики и все, что существует во Вселенной, образовалось из темной материи — просто по той причине, что основные силы, которые действуют в нашем мире, — это силы гравитации. Чем больше масса, тем сильнее гравитация, то есть если темная материя по массе в пять раз превосходит обычную, то, значит, она играет главную роль в образовании галактик, а обычная материя — второстепенную.

— Не то чтобы совсем ничего, но не понятно, что это. То ли мы имеем дело с какой-то одной темной частицей, то ли с некой “темной” копией Стандартной модели… Темная частица, как и темная материя, не излучает свет, поэтому мы ее не видим. Чтобы ее или их обнаружить, нужно, чтобы эти частицы с нашим миром взаимодействовали, и тогда мы, возможно, сможем это как-то понять, потому что чисто гравитационно мы темную материю чувствуем, а по-другому — нет. Поэтому все стараются поймать какую-то частицу, которую пока не поймали. Скорее всего, это будет выход за рамки наших представлений, за рамки Стандартной модели. В различных теориях, которые расширяют СМ, предлагается много кандидатов на роль темной материи.

— Если расширять СМ, вводить новые заряженные и нейтральные частицы, то понятно, что заряженные — не годятся (они испускают видимые фотоны, то есть это не темная материя). Получается, что надо ориентироваться на нейтральные частицы и смотреть, как долго они живут. Если они живут мало, распадаются в доли секунды, как хиггсовский бозон, то такие частицы тоже не годятся, ведь темная материя должна жить вечно, или, по крайней мере, столько, сколько живет наша Вселенная — 14 миллиардов лет. Значит, нужна такая схема, такое расширение Стандартной модели, где среди множества новых частиц найдется одна или несколько, которые живут столь же долго. Такие схемы есть, и существует много кандидатов, долгоживущих нейтральных частиц, которых предлагают разные теории.

Например, суперсимметричная теория, которая удваивает число частиц, каждой частице определяет партнера. У фотона это — фотино, у хиггсовского бозона — хиггсино.

— Это пошло от Энрико Ферми. Он придумал название “нейтрино” — маленький нейтрон. Теперь окончание “ино” используют в названиях частиц суперсимметричной номенклатуры. Глюон — глюино, хиггс — хиггсино, фотон — фотино… Эти частицы — возможные кандидаты на роль темной материи. Другой вариант такой: есть фотон и Z-бозон (его называют тяжелым фотоном). Это частицы одинакового спина, похоже себя ведут. Но одна частица безмассовая (фотон), а вторая — Z-бозон — массивная. Почему бы не существовать еще одному фотону? Его иногда называют темным фотоном. Z-бозон на эту роль не подходит, он быстро распадается. Пусть будет дублер у фотона — темный фотон, он живет долго, чем не кандидат на роль частицы темной материи? 

— Ни одна из них не найдена, то есть пока это фантазии физиков. Таких частиц могло бы быть много, весь вопрос в том, как их обнаружить. Поскольку глазом их не увидеть, можно попытаться увидеть их по эффекту слабого взаимодействия, которое достаточно сильно, чтобы его экспериментально наблюдать. То есть теоретически частицы темной материи слабым образом взаимодействуют с нашими частицами, и мы можем увидеть результат этого взаимодействия. Например, летит темная частица, ударяет в газовую мишень (установленную глубоко под землей, чтобы убрать фон), попадает в атом газа, и атом отскакивает. При этом образуется энергия отскока, величину которой физики пытаются измерить. Ясно, что космические лучи, которые, несмотря на всю защиту, все-таки прилетают из космоса, создают похожие фейковые события. Поэтому проводится тщательный анализ, существует целая схема всяких совпадений и того, как их отсечь. В результате на сегодняшний день настоящих событий ученые так и не получили.

— Причина может заключаться в том, что вероятность взаимодействий слишком мала. На тысячу фоновых событий может быть всего одно событие сигнальное. Но если еще меньше, чем одно, то это все равно, что его нет. То есть экспериментаторы еще не добрались до нужного количества событий. Но может оказаться и что частицы такой нет, какую ищут, потому что детекторы настроены на определенную массу. Поэтому все экспериментальные данные, которые сейчас получены, такие: в этом интервале масс и в этом интервале вероятностей ничего нет. 

— Совершенно верно, физики исключали определенные интервалы масс и “зажимали” бозон. Но тогда было понятно все-таки, какой интервал в принципе годился. С темной материей у нас нет подобной идеи. Масса темной частицы может быть какой угодно. 

— Да, здесь очень сложно. Поэтому пока подобные эксперименты не дали результата. Есть и другой тип экспериментов. Он основан на предположении, что частицы темной материи летают в Гало нашей Галактики и время от времени сталкиваются друг с другом. Если это происходит, то при столкновениях рождаются обычные частицы, например электроны и позитроны, которые дальше становятся частью космических лучей. Если частицы темной материи аннигилировали, родили обычные частицы, то, измеряя спектр электронов и позитронов в космических лучах, мы при определенной энергии можем обнаружить их избыток. Это будет сигнал, что есть новый источник частиц.

Третий путь обнаружения частиц темной материи — просто родить их на ускорителе. При столкновениях протонов должны родиться темные частицы и наша задача — суметь их идентифицировать. Но по определению у частиц темной материи нет электрического заряда, мы не видим их треки, они должны улетать из детектора. И это означает, что, когда мы будем считать баланс энергий, у нас их будет не хватать. 

— Вполне, тем более что мы не знаем диапазона масс. Были даже надежды, и теоретики их подогревали, что предыдущий ускоритель LEP откроет частицы темной материи. В результате ничего не получилось и решили, что частицы эти тяжелее, чем думали, и LEP просто не хватило энергии, как ее не хватило, чтобы родить хиггсовский бозон. Теперь надежды связываем с LHC, хотя из-за того, что там рождаются сотни частиц, очень трудно разглядеть нужные. Тем не менее такой анализ проводится.

— Они и позволят продвинуться дальше. Достигнув high luminosity, мы создадим машину, на которой можно будет получать в десять раз больше событий и в десять раз большую точность измерений. Мы не знаем, где лежат границы новой физики, но увеличение энергии, увеличение светимости коллайдера — это пути их обнаружить.

— Всем очень хочется надеяться, что LHC, который открыл хиггсовский бозон, откроет что-то еще. Никто не может сказать — что. Есть, конечно, излюбленные теории и частицы, которые всем хочется подтвердить или открыть. Я, например, в ожидании открытия суперсимметричных частиц. LHC — это единственная машина, которая у нас сегодня есть и которая будет улучшаться, она дает реальный шанс на открытия, поэтому мы должны за нее зацепиться и держаться. И все надеются, что колоссальная работа физиков, продолжающаяся после обнаружения бозона Хиггса, приведет к новым открытиям. Потому что, несмотря на замкнутость СМ, на этом история мира не кончается. Темная материя — пример того, что что-то еще должно существовать. LHC позволяет заглянуть в глубь вещей так далеко, как больше никто не может.