Человек видит только малую часть окружающего мира. Стандартная модель описывает все, что находится в пределах видимости, но пока не отвечает на вопросы о темной материи и темной энергии. Теория суперсимметрии в перспективе может позволить выйти за рамки Стандартной модели, описать и изучить неизвестные частицы. Что находится за границей основной физической парадигмы? Как доказать существование того, что человек увидеть не способен, и зачем это нужно? Об этом издатель ПостНауки Ивар Максутов поговорил с физиком Михаилом Даниловым.

Из чего состоит окружающий мир

— Прежде чем начать разговор о физике после Стандартной модели, хочется вспомнить значение этого термина.

— Это теория, которая основана на экспериментальных фактах и описывает все, что нас окружает. На первый взгляд может показаться, что устроена она очень просто. Существуют атомы, которые состоят из электронов и ядер. Электроны в атоме удерживаются за счет электромагнитного взаимодействия, переносчик которого — фотон. Ядра состоят из протонов и нейтронов, а протоны и нейтроны — из u- (up) и d- (down) кварков. Глюоны, или переносчики сильного взаимодействия, удерживают кварки внутри протонов и нейтронов, а протоны и нейтроны — внутри ядра. W- и Z-бозоны осуществляют слабое взаимодействие в том числе с участием нейтрино — частицы, участвующей только в слабом взаимодействии. Таким образом, окружающая нас материя состоит всего из четырех «кирпичиков» (двух типов кварков, электронов, нейтрино) и переносчиков взаимодействий (фотонов, глюонов, W- и Z-бозонов). 

Но кроме этого набора частиц есть «кирпичики» потяжелее. Они возникают только при столкновении элементарных частиц и романтично называются «странный кварк», «прелестный кварк», «очарованный кварк» и «топ-кварк» (top). Это так называемые второе и третье поколения частиц.

В эти поколения входят и дополнительные лептоны — частицы, которые не принимают участия в сильном взаимодействии: мюон и мюонное нейтрино, тау-лептон и тау-нейтрино.

— Вы еще ни разу не упомянули бозон Хиггса. Является ли он частью системы элементарных частиц?

— Бозон Хиггса нашли в 2012 году на Большом адронном коллайдере, и это позволило собрать элементы Стандартной модели в единую теорию: поле Хиггса наделяет фундаментальные частицы массой, и это важно для существования Стандартной модели. 

Рекомендуем по этой теме:

— Получается, Стандартная модель — это зоопарк элементов, из которых состоит мир элементарных частиц, а значит, и все, что нас окружает?

— В основном окружающий мир состоит из частиц первого поколения, а частицы второго и третьего поколения ненадолго возникают и быстро распадаются на частицы первого. Но они необходимы, чтобы создать различия в свойствах вещества и антивещества, или материи и антиматерии. 

Антиматерия — это антипод материи. Античастицы имеют противоположные от обычных частиц заряды и при встрече с ними аннигилируют, порождая много фотонов. После Большого взрыва антиматерии во Вселенной было столько же, сколько и материи, но после аннигиляции осталась лишь одна десятимиллиардная часть вещества, из которого и состоит наш мир, остальное превратилось в фотоны.

Академик Андрей Дмитриевич Сахаров впервые заметил, что для того, чтобы во Вселенной материи было больше, чем антиматерии, необходимо различие в их свойствах. А нобелевские лауреаты, физики Макото Кобаяси и Тосихидэ Маскава разработали теорию, согласно которой между веществом и антивеществом могут быть различия только при условии, что существует как минимум три поколения частиц. Эти различия были обнаружены в экспериментах в Японии и США при участии российских физиков.

За пределами Стандартной модели

— Стандартная модель описывает окружающий нас мир. Но какие у нее ограничения?

— Стандартная модель не описывает то, чего мы не видим. Невидимой темной материи во Вселенной в пять раз больше, чем видимой, и пока мы о ней ничего не знаем. Соответственно, Стандартная модель ее не описывает. 

У этой модели есть и ряд других важных недостатков и проблем. Например, она не описывает темную энергию, которая существует во Вселенной. Кроме того, у Стандартной модели очень много свободных параметров. Почему кварки имеют определенную массу? Почему кварки разных поколений по-разному взаимодействуют друг с другом? В связи с чем существует именно три поколения кварков? Раньше мы упомянули, что они обеспечивают различие свойств материи и антиматерии. Но этого различия недостаточно для объяснения такого большого избытка материи во Вселенной. 

Рекомендуем по этой теме:

— Будет ли применима Стандартная модель в будущем?

— Если говорить о будущем, то после обнаружения бозона Хиггса у нас есть много возможных путей развития науки, которые в равной степени нужно разрабатывать. Например, это предположение ученых Юрия Гольфанда и Евгения Лихтмана из ФИАНа о существовании суперсимметрии. Это теория, согласно которой, помимо известных нам частиц, существуют суперсимметричные частицы. Для каждого фермиона, то есть частицы с полуцелым спином, существует партнер — бозон, частица с целым спином. Для электрона — скалярный электрон. А для фотона, который является бозоном, в суперсимметричном мире есть фермион фотино. 

Казалось бы, введение такого количества новых частиц все усложняет, но в действительности оно придает теории суперсимметрии элегантность. С ее помощью можно описывать многие вещи, в том числе и темную материю. Многие ученые думают, что суперсимметричные частицы будут открыты, и их поиск на Большом адронном коллайдере — одно из важнейших направлений исследований. Но пока надежды не оправдались. 

Как приблизиться к физике будущего

— Что в таком случае для нас важнее: построить невероятно мощные приборы, коллайдер размером с планету, и разогнать частицы или все-таки продолжать искать суперсимметричные частицы? 

— Весь процесс открытия новых частиц — это взаимодействие теории и эксперимента. Например, мюон был найден без теоретических предсказаний. А вот нейтрино был предсказан физиком Вольфгангом Паули для объяснения загадочных экспериментальных наблюдений.

Цель — обнаружить явления за рамками Стандартной модели. Как мне кажется, есть три основных направления, которые могут привести к обнаружению явлений за ее пределами.

Первое — увеличить энергию протонных кольцевых коллайдеров, а значит, увеличить размер коллайдеров и магнитного поля, которое закручивает в них протоны. Интересно создавать и электрон-позитронные коллайдеры. С их помощью можно исследовать все процессы с большей модельной независимостью. 

Второе направление исследований — изучение свойств уже известных частиц. Например, сейчас ученые измеряют аномальный магнитный момент мюона — эти результаты могут многое рассказать о новых частицах, в том числе о суперсимметричных. Дело в том, что новые тяжелые частицы могут менять свойства уже известных нам частиц. Они возникают на короткое время, поскольку на малых промежутках времени закон сохранения энергии импульса не выполняется из-за соотношения неопределенности. А оно требует, чтобы неопределенность в энергии, умноженная на неопределенность во времени, была больше, чем константа Планка. Именно благодаря такой возможности изучение прелестных мезонов позволило установить более жесткие пределы на массу заряженного хиггсовского бозона, чем ограничения в прямых поисках на Большом адронном коллайдере.

Третье направление — это изучение свойств нейтрино, которое может помочь найти еще одну причину различия свойств материи и антиматерии, а также объяснить избыток материи во Вселенной. Масса нейтрино очень мала, и мы пока не измерили ее экспериментально. Но в существовании массы у нейтрино сомневаться не приходится.

Есть три типа нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино. Обнаружено, что нейтрино одного типа могут переходить (осциллировать) в другой — это возможно только при условии, что у них есть масса. Впервые осцилляции нейтрино рассмотрел работавший в Дубне Бруно Понтекорво. За открытие осцилляций нейтрино в 2015 году была присуждена Нобелевская премия. К сожалению, в состав победителей не вошел один из ведущих российских физиков Владимир Гаврин. Эксперимент SAGE, который он возглавляет, продемонстрировал, что недостаток солнечных нейтрино не может быть объяснен изменениями моделей Солнца, а следовательно, это проявление их переходов в другие состояния.

У ученых есть гипотеза, что избыток материи во Вселенной связан с новыми тяжелыми частицами, которые объясняют и очень маленькую массу нейтрино.

Кроме того, возможно, существуют нейтрино, которые взаимодействуют с другими частицами еще меньше, чем «обычные» нейтрино, — их называют стерильными. В 2018 году вышли две работы, в которых утверждается, что они уже были найдены, но эти результаты пока не подтверждены другими исследователями. Ученые в России, включая нашу группу, также активно занимаются поиском стерильных нейтрино.

Кто и почему строит ускорители частиц

— Вы затронули тему организации современной науки. С одной стороны, мы до сих пор делим науку на «нашу» и «не нашу». С другой — есть примеры огромных коллабораций: Большой адронный коллайдер, «фабрика прелести» в Японии (это официальное название коллайдера, на котором рождается огромное количество прелестных частиц. — Прим. ред.). Может ли отечественная наука развиваться в отрыве от мировой? И по какой причине в России не ведется строительство таких масштабных проектов?
 
— Наука интернациональна по определению. Но некоторые подходы, традиции, научные школы в разных странах различаются, и сохранять это разнообразие важно. Поэтому, когда речь идет о российской науке, это понятие не всегда связано с изоляцией. Это скорее традиционный подход к исследованиям, который отличается от немецкого или американского. Скажем, от немцев мы отличаемся меньшей педантичностью, в том числе мало заботимся о приоритете высказанных идей. Например, математик Григорий Перельман доказал гипотезу Пуанкаре, но не посчитал нужным опубликовать доказательство в общепринятом виде. Что касается строительства в России установок мегакласса, то здесь есть несколько важных аспектов. Сегодня исследования в физике требуют все более масштабных установок. Это связано с тем, что мы пытаемся изучать все меньшие расстояния, а для этого требуется больше энергии. Строить коллайдер в каждом университете невозможно. В США, к примеру, как и у нас, нет суперколлайдера, зато есть ускоритель, нацеленный на исследования нейтрино, а Япония выиграла гонку по созданию «фабрик прелести». Но на этих установках работают ученые со всего мира. В России также создаются крупные установки. В Дубне сейчас идут работы по созданию коллайдера NICA, который позволит исследовать кварк-глюонную плазму. Это конкурентоспособный на мировом уровне проект, который привлечет иностранных ученых. В Новосибирске планируется создание тау-чарм-фабрики. Полным ходом идет расширение Байкальского нейтринного телескопа. Преимущество строительства установок мирового уровня в том, что оно всегда дает стимул для развития других технологий. Например, благодаря созданию БАКа появились очень интересные разработки в области сверхпроводимости и детекторов, которые используются в медицине.

— Получается, нет смысла строить одинаковые установки? Поэтому решения о строительстве принимаются так же, как решения о проведении Олимпиады? 

— Этот процесс скорее можно сравнить с выбором, где провести чемпионат мира по определенному виду спорта. А вообще, строительство таких установок — это часть культурного процесса, потому что они позволяют человеку познавать устройство мира. И это не менее важно, чем медицинские исследования, ведь с созданием установок связаны и технологические прорывы.

Все мы помним, что Всемирная паутина была придумана в ЦЕРН для общения интернациональных коллективов. Спустя пару десятилетий эта технология окупила все эксперименты, которые были или будут проведены на коллайдере ближайшие десятилетия, если не столетия вперед.

task-image
Если частица существует во времени, то античастица существует в антивремени: пока частицы «летят» из прошлого в будущее, соответствующие им античастицы «летят» из будущего в прошлое. Можно ли сказать, что между этими разнонаправленными движениями нет принципиальной разницы?
Звучит безумно, но так и есть!
Нет, движение из прошлого в будущее и движение из будущего в прошлое неравнозначны
mistake
Увы, вы ошиблись...