Поиск - новости науки и техники

Рывок на финише. Несмотря на скорую остановку Тэватрона, физики Фермилаб надеются разобраться с бозоном Хиггса.

Сразу после январских праздников из США пришло известие о том, что американское Министерство энергетики решило не продлевать срок работы Тэватрона – коллайдера Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми (Фермилаб), и он закончит работу уже в конце нынешнего года. Это решение было принято, несмотря на предложение ученых продолжить эксплуатацию машины еще в течение трех лет. Впрочем, физики не отчаиваются и за несколько месяцев планируют успеть собрать недостающие данные для ответа на вопрос о существовании бозона Хиггса. Об этом корреспонденту “Поиска” рассказал руководитель эксперимента D0 (одного из двух основных экспериментов Тэватрона) Дмитрий Денисов. Но начался разговор с вопроса о специфике экспериментов на Тэватроне.
– В Фермилаб изучается широкий круг вопросов взаимодействия протонов и антипротонов. Многие из них являются основополагающими не только для физики высоких энергий, но и для науки в целом. Например, симметрия между материей и антиматерией во Вселенной. Мы видим, что вокруг нас присутствует материя, а антиматерии очень мало. В чем причина? Теория Большого взрыва, которая описывает зарождение Вселенной, предсказывает равное количество вещества и антивещества. Где же антивещество? По-видимому, есть какие-то законы, которые асимметричны по отношению к материи и антиматерии. Мы пытаемся понять, какие же закономерности приводят к тому, что материя оказалась “сильнее” антиматерии.
Мы изучаем процессы, которые позволяют определить структуру элементарных частиц. Известно, что протоны и нейтроны состоят из кварков, глюонов, а что представляют собой кварки? Это более глубокий уровень изучения строения материи, но на Тэватроне, который часто сравнивают с микроскопом, способным рассмотреть расстояния до 10-16 см (размер протона – 10-13 см), он достижим.
Одним из фундаментальных вопросов физики элементарных частиц является вопрос массы. Откуда она берется? Почему у одних частиц она больше, чем у других? В Стандартной модели (СМ) массу и то, как она возникает, описывает механизм Хиггса. Согласно этой теории, все пространство вокруг нас заполнено специальным полем, а движущиеся через него частицы по-разному с ним взаимодействуют и приобретают разную массу. Эта теория гласит, что само поле может создавать возбуждение, так называемый Хиггс-бозон. Это последняя из неоткрытых частиц СМ, ее поиск – одна из наиболее интересных задач, которую пытаются решить физики.
Еще одна интересная область – так называемые дополнительные измерения. Мы знаем о трех измерениях пространства, временном измерении, о том, как они преобразуются… Но, возможно, на очень маленьких или очень больших расстояниях во Вселенной есть и другие измерения? Это тоже фундаментальная проблема, которую должны изучить физики.
– Можно ли говорить, что круг задач, решаемых на Тэватроне, примерно тот же, что и на Большом адронном коллайдере (LHC) в ЦЕРН?
– Пересечения есть, но не стопроцентные. LHC в ЦЕРН сталкивает протоны с протонами, а есть круг задач, для решения которых нужны тэватроновские протон-антипротонные соударения. Сегодня энергия LHC (7 ТэВ) примерно в 3,5 раза больше энергии соударений на Тэватроне. Тем не менее количество протон-антипротонных взаимодействий, произошедших на Тэватроне за 10 лет, превышает количество событий на LHC в 200 раз! Несмотря на то что в ближайшие два-три года на LHC заметно увеличится количество набранных данных, еще примерно пару лет мы будем конкурентоспособны.
– Но ведь большую часть данных вы уже обработали, и, видимо, в них не нашлось ответа на те фундаментальные вопросы, о которых вы говорили.
– Те данные, которые мы обработали, показывают, что Стандартная модель хорошо описывает большое количество экспериментальных результатов. Нам удалось измерить многие ее параметры с такой точностью, которая раньше была недостижима. Действительно, пока мы не находим указаний на дополнительные измерения, не видим структур внутри кварка, но продолжаем поиски. Недавно на Тэватроне получены указания на то, что есть какие-то “облачка” на безоблачном горизонте Стандартной модели. Примерно полгода назад на установке D0 была зафиксирована заметная асимметрия между материей и антиматерией. А две недели назад команда эксперимента CDF подготовила статью (она будет опубликована в журнале Physical Review D), в которой говорится, что образование топ-кварков при больших эффективных массах пары топ-антитоп отличается от того, что предсказывает СМ. Возможно, эти самые тяжелые элементарные частицы и являются первыми предвестниками того, что есть какие-то интересные закономерности за пределами Стандартной модели. Я думаю, что в ближайшие один-два года наблюдаемые противоречия экспериментов и СМ будут окончательно подтверждены и мы станем свидетелями зарождения нового направления в физике. Либо окажется, что экспериментаторы чего-то не учли при обработке данных, и тогда “облачко” рассеется.
Конечно, одним из наиболее интересных измерений, где конкуренция с LHC самая острая, является поиск Хиггс-бозона. Эта теоретически предсказанная частица сегодня интересует всех. Даже шофер такси, который вез меня из Фермилаб в аэропорт, осведомился, как продвигается работа в этом направлении.
Пока мы не знаем массу бозона Хиггса, но при всех допустимых массах проводим десятки, даже сотни экспериментов. Примерно полтора года назад мы стали чувствительны к хиггсу около массы 160 ГэВ. При такой массе он должен распадаться на пару промежуточных W-бозонов, переносчиков электрослабого взаимодействия. Но мы не увидели соответствующих событий, которые должны были бы случиться, что говорит о том, что Хиггс-бозона с этой массой в природе не существует. Постепенно мы увеличивали диапазон “исключений”, и сегодня он простирается в промежутке от 157 до 175 ГэВ. При этом весь ожидаемый диапазон массы бозоны Хиггса – от 115 до 185 ГэВ. Теперь мы должны изучить диапазон от 115 до 157 ГэВ. В нем у Тэватрона есть существенное преимущество, поскольку энергия LHC, на наш взгляд, “слишком велика” для такой “ювелирной” работы. Кроме того, с помощью протон-антипротонной машины мы можем аннигилировать кварки и антикварки (чего нельзя сделать на LHC) и образовывать, например, Z-бозон, который потом излучит Хиггс-бозон.
Я думаю, что примерно через год у Тэватрона есть абсолютно реальная возможность либо исключить существование Хиггс-бозона, либо определить, при каких массах оно возможно.
– То есть вы рассчитываете опередить коллег из ЦЕРН?
– В этом нет ничего удивительного. Тэватрон в Фермилаб работает в “крейсерском” режиме. Установка хорошо изучена, все технические проблемы, с которыми мы сталкивались в первые годы, устранены. Останавливается ускоритель крайне редко, мы работаем и в Новый год, и на Рождество. Еще примерно год мы будем без перерыва набирать данные…
– А возможно, что бозона Хиггса нет совсем?
– Конечно. Механизм хиггса – это чистая теория, хотя и очень красивая, математически элегантная. Экспериментальных доказательств у нее пока нет. Первым, наиболее сильным ее доказательством как раз и является обнаружение Хиггс-бозона. С другой стороны, есть много ученых, которые считают, что необходимо рассматривать и другие теории. Они существуют, хотя и не очень популярны, не столь изящно вписываются в Стандартную модель.
– Если бозон Хиггса не обнаружится, это прибавит работы физикам или финансирование дальнейших экспериментов вообще прекратится?
– Я думаю, что прибавит. В истории физики было много теоретических моделей, которые не подтверждались экспериментально, и это нормально. Конечно, приятно подтвердить теорию, но иногда и не подтвердить очень красивые предсказания не менее интересно. Лично у меня нет никакой предвзятости – существует хиггс или нет.
– Каковы дальнейшие перспективы Тэватрона?
– Как все хорошее, Тэватрон имеет свое начало и конец. Поскольку этот ускоритель функционирует уже 25 лет, его дальнейшая работа признана не слишком эффективной. Частота взаимодействия частиц уже давно вышла на плановую, и сегодня мы можем увеличивать количество данных только за счет времени. Понятно, что в какой-то момент мы должны остановиться.
Надо сказать, что после того, как произошли задержки с запуском LHC, участники экспериментов D0 и CDF начали разрабатывать план по продолжению работы ускорителя до конца 2014 года. Мы взвесили все “за” и “против” и подготовили проект, который был рассмотрен и поддержан всевозможными комиссиями ученых. Но не все решается просто. В экономике Америки сейчас не самая лучшая ситуация, наблюдается большой бюджетный дефицит. Более целесообразным было признано закрытие Тэватрона, а ученым предложено сконцентрироваться на обработке данных. Окончательное решение об остановке ускорителя в Фермилаб Министерство энергетики США приняло 10 января.
Наиболее реальная перспектива дальнейших исследований на Тэватроне связана с созданием сильноточного ускорителя, который может быть использован, например, для проведения нейтринных экспериментов на новом уровне. Обсуждалась также возможность создания мюонного коллайдера, который, кстати, был предложен еще в СССР в новосибирском Институте ядерной физики.

Беседовала Светлана Беляева

Нет комментариев