Перспективы исследований на Большом адронном коллайдере

Сохранить в закладки
4491
2
Сохранить в закладки

Физик Дмитрий Казаков о поиске новой физики, нарушениях пространственной четности и хиггсовских бозонах

Все мои многочисленные знакомые, даже нефизики, знают словосочетание «Большой адронный коллайдер». Видимо, это слово уже вошло в повседневный обиход массмедиа. Огромная уникальная установка ― коллайдер протонов высоких энергий, работающий в Женеве, в Европейском центре ядерных исследований. Машина, которая привлекает большое внимание не только как ускоритель, но и как детектор элементарных частиц, на котором было сделано широко известное и разрекламированное открытие хиггсовского бозона, продолжает активно работать вот уже более 5 лет.

Как известно, когда коллайдер запустили, было очень много страхов. В прессе писали о том, что может родиться черная дыра, которая поглотит нашу Землю, и много других разных глупостей. Теперь уже все успокоились. Ничего не происходит, коллайдер прекрасно работает, выше всяких похвал. Казалось бы, столь сложная установка могла бы сбоить, что-то в ней отказывало бы, но этого не происходит. За исключением одного эпизода, опять же всем известного, потому что, когда коллайдер запустили, в первый год там произошло короткое замыкание и пришлось его останавливать и устранять эту неполадку. Но с тех пор этого больше не происходило. Сначала коллайдер работал на энергии, половинной по отношению к проекту, то есть на 7–8 тераэлектронвольт. Сейчас он работает уже на максимальной энергии, на какой было запланировано, ― на 13–14 тераэлектронвольт. Это невиданные доселе энергии. До сих пор такого ни на каком ускорителе не было. Тем самым мы можем прощупать и посмотреть физику на таких расстояниях и энергиях, которые не были никогда до этого доступны.

Чем больше энергии, тем меньше расстояния, которые мы можем увидеть с помощью такого своеобразного микроскопа. Сейчас расстояния, до которых мы добрались, представляют собой примерно 10-16–10-17 сантиметров. Разумеется, обычным образом мы не можем понять, что это за такие малые расстояния, и можем говорить о них только в таких условных единицах. Тем не менее именно на этих расстояниях может открыться нам новый мир, или, как принято говорить, новая физика, которую на Большом адронном коллайдере как раз и ищут. Хиггсовский бозон был открыт на энергии, когда коллайдер работал еще в половину своей мощности. Но когда он в следующем, во втором ране заработал на полную мощность, открытие хиггсовского бозона было подтверждено. Более того, были измерены многие свойства этой частицы, которые до этого были такие весьма приблизительные. Теперь мы очень хорошо знаем, что это за частица, которую открыли. Мы знаем все ее характеристики: что это нейтральная частица, не имеющая углового момента, что это частица, которая взаимодействует со всеми частицами Стандартной модели.

Причем, что очень важно и принципиально, это то, что сила взаимодействия этой частицы с частицами Стандартной модели прямо пропорциональна массам этих самых частиц. Это нам как раз и говорит о том, что тот механизм, который заложен в теоретической схеме, ― механизм спонтанного обнаружения симметрии, за который была присуждена Нобелевская премия, ― что частица, которая открыта, является тем самым хиггсовским бозоном, который осуществляет спонтанное обнаружение симметрии, предсказанное теоретически, и мы находимся на верном пути. Более того, очень любопытно исследовать, является ли эта частица единственной частицей. Дальнейшие исследования на Большом адронном коллайдере, которые ведутся сейчас и продолжают вестись буквально в настоящий момент, ― это попытка понять, как же устроен так называемый хиггсовский сектор Стандартной модели.

Таким способом мы описываем скалярные поля, которые появляются в основе спонтанного нарушения симметрии. Не исключено, что такая частица является единственной и мы ее уже открыли. Этот вариант, с одной стороны, очень привлекателен: мы как бы знаем, как все устроено. А с другой стороны, немножко скучен, потому что тогда мы уже все открыли. Но если посмотреть на предложения теоретические, то ниоткуда не следует, что такая частица должна быть одна. Не исключено, что таких частиц на самом деле много. И тогда если так, то их надо тоже опять открывать на ускорителе. И та точность исследований, которая достигнута на коллайдере в настоящий момент, пока не позволяет нам сказать, одна эта частица или, может быть, существуют другие. Так что одна из главных задач в области физики хиггсовских бозонов — понять, единственная ли частица существует, которая уже открыта, или существуют еще более тяжелые частицы.

На самом деле слух о том, что более тяжелый хиггсовский бозон открыт, уже был. Вроде как была найдена частица с массой 750 ГэВ (напомню, что стандартный хиггсовский бозон имеет массу 125 ГэВ). Это более тяжелая частица и теоретически как бы очень правильный диапазон, где она могла бы существовать. Слух оказался ложным. Частица, как принято говорить, рассосалась, то есть оказалось, что те данные, которые были, описываются флуктуациями фона и такой частицы нет. Но тем не менее загадка остается. Я повторяю, что в физике хиггсовских бозонов поиск новых тяжелых частиц остается одной из главных задач Большого адронного коллайдера.

Но хиггсовскими бозонами, конечно, вся физика, которая там происходит, не ограничивается. И там существует много других очень интересных областей исследования. В качестве примера можно привести поиск экзотических сильновзаимодействующих частиц. Дело в том, что в стандартной схеме все сильновзаимодействующие частицы (их называют адроны ― отсюда и происходит название «адронный коллайдер») состоят из кварков, причем-либо из двух, либо из трех. Все известные нам частицы состоят либо из двух, либо из трех кварков. Например, протоны и нейтроны, из которых состоят ядра атомов, состоят из трех кварков. И долгое время была загадка, нет ли частиц, которые состоят из большего числа кварков, четырех, пяти, шести… И были противоречивые очень данные на этот счет, загадка оставалась. А теория, к сожалению, не говорит однозначно о том, существуют ли такие частицы. И наконец эта проблема была решена в одном из экспериментов на Большом адронном коллайдере, где было достоверно обнаружено существование таких частиц. Их называют экзотическими адронами. Они состоят из большего числа кварков. Были обнаружены частицы из четырех кварков, из пяти, даже из шести кварков, и их называют тетракварки, пентакварки и секстакварки. Тем самым открывается новое окно в адронный мир. И видимо, это сейчас будет очень актуальной областью исследований ― поиск таких новых частиц и попытка понять, какие же все-таки кварковые образования возможны в природе.

Другой очень интересной областью исследований на коллайдере, конечно же, является поиск новой физики и новых явлений, которые до сих пор были неизвестны, и все думали, что на новой шкале энергий, может быть, что-то такое проявится. К сожалению, в этой области сенсаций пока никаких не произошло. И все новые частицы не найдены, и тем самым получены ограничения на их массу, на их свойства, на их взаимодействия и так далее. К таким частицам можно отнести так называемые суперсимметричные частицы, которые пытаются найти дополнительные векторные бозоны, дополнительные по отношению к остальным переносчикам взаимодействий, которые нам хорошо известны теперь, то есть глюоны, W-бозоны, Z-бозоны. Люди всегда пытались найти новые частицы, которые связаны с новыми симметриями. Значит, ни новых симметрий, ни новых бозонов тоже пока не найдено.

Другой очень привлекательной идеей была попытка найти проявления дополнительных измерений пространства-времени. Как известно, мы с вами живем в пространстве-времени размерности 3+1: три пространства и одно время. Но смелые теоретические идеи уводят нас в область большого количества пространственных измерений, не ограничиваясь тремя. Попытка найти дополнительные измерения на коллайдере предпринимается давно. С этим, кстати сказать, связана и попытка найти микроскопические черные дыры. Именно они вызвали тогда некий переполох в связи с началом работы коллайдера, когда говорили, что родится черная дыра, которая поглотит нашу Землю. Тревога оказалась ложной. Никакие опасные черные дыры не родились, но тем не менее поиск черных дыр и других проявлений дополнительных пространственных измерений остается одной из актуальных задач Большого адронного коллайдера, и получены ограничения на возможные массы этих объектов, но сами объекты пока не найдены.

Очень интересная вещь, которая связана с пониманием того, как устроен наш мир, связана с так называемым нарушением пространственной четности. Это именно та самая четность, которая делает нашу с вами жизнь возможной. Дело в том, что, согласно теоретическим схемам, мир частиц и мир античастиц устроен совершенно одинаково, но тем не менее мы с вами наблюдаем только мир частиц, мы наблюдаем атомы, мы не наблюдаем антиатомов, мы не наблюдаем антиматерии, которая в мире существует. Это одна из загадок ― объяснить, почему мы наблюдаем только материю и не наблюдаем антиматерии. Называется это барионная асимметрия Вселенной. И необходимое условие существования этой барионной асимметрии, то есть существования нашего мира, по сути дела, связано с так называемым нарушением комбинированной четности в мире элементарных частиц. И исследования по комбинированной четности, проявлениям этих взаимодействий, нарушающих комбинированную четность в физике адронов, проводятся тоже на Большом адронном коллайдере.

В последнее время произошел довольно большой прогресс в точности измерения соответствующих параметров. Это называется параметры матрицы Кобаяши ― Маскава, которая тоже удостоена Нобелевской премии. И вот достигнут довольно большой прогресс, и мы сейчас очень хорошо и согласованно знаем все параметры этой матрицы. И оказывается, что нарушения этой пресловутой комбинированной четности слишком мало для того, чтобы объяснить барионную асимметрию Вселенной. Это некая загадка. Загадка, возможно, разрешится совсем не на адронном коллайдере. Возможно, она разрешится в экспериментах по физике нейтрино ― это новый объект, который не относится к коллайдерной физике. Это так называемая подземная физика. Но то, что происходит в адронном мире и с нарушением четности, и с другими аспектами адронного мира, — это как раз предмет исследований на Большом адронном коллайдере. И здесь оно идет полным ходом, открыты новые состояния.

Кстати сказать, проявление новой физики могло бы быть и здесь, если бы, скажем, распады частиц, которые изучаются, не соответствовали стандартной схеме. И были очень редкие распады, которые в принципе могли бы нам дать отклонения от Стандартной модели. Они все были проверены на Большом адронном коллайдере, и то, что сейчас достигнуто и измерено, в точности соответствует стандартной схеме. С одной стороны, подтверждает, что построенная теория верна, а с другой стороны, вот такое разочарование, что новая физика в этих исследованиях не проявилась. Но повторяю, что работа идет полным ходом, так что оптимисты верят, что новости нас еще ожидают.

Большой адронный коллайдер представляет собой экспериментальную установку высокой точности. Понятно, что, чтобы обработать тот огромный объем информации, который получается на коллайдере, нужны соответствующие компьютерные программы, которые в онлайн-режиме производят эту обработку. Все это создано, все это прекрасно работает. Но достигнутая точность требует, разумеется, и соответствующей точности теоретических расчетов. Только в сравнении этих двух величин мы можем продвинуться вперед.

Удивительным образом (а может быть, и неудивительным), но в последние годы произошел всплеск теоретической активности по высокоточным вычислениям. Новые методы были продвинуты, развиты и освоены. И в настоящий момент происходит такое соревнование между экспериментаторами и теоретиками: кто точнее посчитает. Пока примерно нос к носу идут теоретики и экспериментаторы. Кто-то прорывается вперед, другие догоняют. Но оказалось, что работа такой огромной установки стимулирует мысль. И кажется, что она стимулирует не только мысль по вычислению чего-то, но и вообще мысль и понимание того, как устроена природа, потому что в зависимости от того, находит что-то коллайдер или не находит, это требует своего понимания и объяснения. Вот если бы сейчас адронный коллайдер нашел бы какие-то новые частицы, это привело бы к всплеску идей в области этих новых частиц, чего пока не произошло. Поэтому теоретическая мысль пытается пойти в обход и предложить какие-то новые варианты. Вот мы сейчас находимся все, я бы сказал, в ожидании того, что произойдет буквально в следующие месяцы, когда коллайдер заработает и появятся новые данные. Традиционно экспериментаторы готовят свои данные к большим международным конференциям, которые происходят несколько раз в году. И на каждой конференции все с нетерпением ждут, что же в этот раз нам покажут. А теоретики набрасываются на эти данные в их интерпретации.

Надо сказать, что по плану Большого адронного коллайдера он проработает примерно еще два года, потом будет большая остановка. Во время этой остановки будет произведена профилактика, будут улучшены многие системы ускорителя, магниты будут переделаны, будут переделаны детекторы. И потом коллайдер заработает и проработает еще несколько лет. Мы все очень надеемся, что за эти годы нас ждут еще новые замечательные открытия и новые данные с Большого адронного коллайдера.

Над материалом работали

Читайте также

Внеси свой вклад в дело просвещения!
visa
master-card
illustration