Ученые разных стран опубликовали проекты четырех ускорителей, которые могут прийти на смену Большому адронному коллайдеру (БАК). Более мощные установки нужны, чтобы детально изучить свойства бозона Хиггса, найти частицы темной материи и объяснить ряд фактов, противоречащих современной физике.
Почти идеальная модель
"Бозон Хиггса предсказали пятьдесят лет назад, что называется, на кончике пера. По тогдашней теории все элементарные частицы получались безмассовыми. Но это опровергают обычные весы. Чтобы снять противоречие, Питер Хиггс предположил существование некоего поля, при взаимодействии с которым частицы приобретают массу. Возмущение этого поля представляет собой бозон. В 2012 году его открыли, и это был триумф теории",
— рассказывает РИА Новости Игорь Бойко, старший научный сотрудник лаборатории ядерных проблем имени В. П. Джелепова в ОИЯИ (Дубна) и участник проекта CLIC в ЦЕРН.
Физическую теорию, описывающую все элементарные частицы и их взаимодействия, называют Стандартной моделью. В ее основе — квантовая теория поля.
Стандартная модель отличается большой предсказательной силой, ее выводы не раз подтверждались в экспериментах. Игорь Бойко приводит в пример бозон Хиггса, который изучают на БАК. Уже выполнены тысячи измерений его параметров, и хотя небольшие отклонения от теории наблюдаются из-за случайных флуктуаций, до сих пор все его свойства идеально совпадают с предсказанными.
Стандартная модель объясняет все особенности мироздания. Вернее, почти все. Есть факты, в нее не укладывающиеся. Их объединяют термином "новая физика", хотя некоторые — совсем не новые. Например, проблеме скрытой массы галактик уже почти сто лет.
Темная материя и энергия
"Если массу звезд в нашей галактике сравнить ее с массой, вычисленной по скоростям звезд на периферии, возникает существенная разница. Оказывается, на видимую нам материю в космосе приходится всего пять процентов массы Вселенной. Еще 25 процентов — это неизвестные частицы, по свойствам более-менее похожие на те, что мы знаем. И семьдесят процентов — что-то совсем непонятное под названием темная энергия. Считается, что она отвечает за расширение Вселенной с ускорением. Через сотни миллиардов лет скорость будет такой, что взорвутся молекулы, атомы, все превратиться в кашу, произойдет "великий разрыв", — говорит Бойко.
К поискам темной энергии ученые пока даже не знают, как подступиться, а темную материю, присутствие которой надежно доказано различными астрофизическими методами, пытаются обнаружить. Проблема в том, что ее частицы взаимодействуют с обычной материей гравитационно и, возможно, через слабое взаимодействие, поэтому зарегистрировать их на ускорителях и в детекторах не удается.
Нужны более мощные, более чувствительные установки. Когда-то нейтрино тоже считались неуловимыми, но теперь их научились наблюдать.
"Если мы найдем частицы темной материи, Стандартную модель сменит новая теория, объясняющая, как они рождаются", — уточняет физик.
Самая популярная альтернативная модель — суперсимметрия. Согласно ей у каждой частицы видимого мира есть тяжелый суперсимметричный партнер, слишком слабо взаимодействующий с остальной материей, чтобы его зарегистрировали нынешние приборы.
Ученые надеются на будущие электрон-позитронные коллайдеры, способные проверить суперсимметрию и пролить свет на тайну темной материи.
"Их преимущество перед протонными в том, что в столкновении происходит полная аннигиляция начальных частиц: электроны взаимодействуют с позитронами, превращаются в ничто — сгусток энергии, величина которой точно известна. Например, вначале было 3000 ГэВ (гигаэлектронвольт), на выходе зарегистрировали 2000. Значит, остальное пришлось на загадочные частицы, не предсказанные в Стандартной модели. Если удастся наблюдать такие события, это произведет революцию в физике", — объясняет Бойко.
Семейство бозона Хиггса
"Мы обнаружили все частицы, предсказанные Стандартной моделью. В альтернативных вариантах одних только бозонов Хиггса минимум четыре вида. Тот, что мы открыли на БАК, а еще — тяжелый бозон с массой в несколько десятков раз больше. Оба с нулевым зарядом. Плюс бозоны Хиггса с отрицательным и положительным зарядами. Предсказывают и пятый вид — с немножко другим квантовым числом. Если найти тяжелый и заряженные бозоны Хиггса, это будет означать конец Стандартной модели и необходимость другой теории", — продолжает ученый.
В бозоне Хиггса физики видят ключ ко многим тайнам материи. Но нынешние коллайдеры не позволяют детально его изучить, поскольку дают по нему мало статистики, сигнал сложно выделить из шума. Нужна фабрика, массово производящая бозоны Хиггса.
Фабрика — более мощный ускоритель, который создает сгусток частиц большей плотности, на порядки повышает светимость, то есть число соударений пучка с мишенью или встречным пучком. На данный момент готовы проекты четырех электрон-позитронных коллайдеров. Два предлагает ЦЕРН: Будущий циклический (FCC) и Компактный линейный — CLIC. Кольцевой электрон-позитронный коллайдер хотят построить китайцы, Международный линейный (ILC) — японцы.
"Допустим, в Китае или Японии решат строить ускорители, тогда и Европе нужна своя установка. FCC позволит изучить бозон Хиггса и топ-кварк с огромной точностью, и можно будет увидеть какие-то отклонения от Стандартной модели. CLIC рассчитан на большую энергию, чем FCC, на нем реально открыть новую физику, если она есть", — рассуждает Бойко.
По его словам, весь этот год Европейская комиссии по коллайдерам будет рассматривать оба проекта и в марте 2020 года опубликует рекомендации для ЦЕРН о том, какой следует поддержать.
Инфляция и параметры Вселенной
Одна из загадок Вселенной — существование черных дыр в миллиард раз тяжелее Солнца. Согласно оценкам физиков, они образовались уже через 600-700 миллионов лет после Большого взрыва, что удивительно для объектов такой массы. Они просто не успели бы эволюционировать за столь короткий срок.
"Значит, нужно сразу каким-то образом сконцентрировать большое количество энергии или массы в одной области. Мы свой способ разрабатываем, и для этого нам нужен инфляционный период развития Вселенной. Он длился порядка десять в минус 36 степени секунды, но без него Вселенная выглядела бы совсем по-другому. В Стандартную модель этот период не вписывается, приходится вводить новые поля, за счет которых происходит быстрое расширение и нагрев",
— рассказывает Сергей Рубин, профессор кафедры физики элементарных частиц НИЯУ МИФИ.
Одним из самых интересных вопросов, не объяснимых в рамках нынешних представлений, Рубин считает тонкую настройку параметров Вселенной. Заряд электрона, масса бозона Хиггса, W и Z-бозонов, скорость света — эти величины нельзя сильно менять. Будь они немного другими, — и ни наша материя, ни Вселенная, ни Земля, ни люди не возникли бы. Стандартная модель не объясняет причины этого удивительного совпадения.
"Будущая теория должна объяснить, как возникли заряженные частицы, почему у них такие масса, заряд, почему у поля Хиггса именно такие свойства, а не другие", — поясняет профессор.
Нейтрино и дополнительные измерения
За рамками Стандартной модели и проблема нейтрино — частиц-призраков, мириады которых рождаются внутри Солнца и в ядерных реакторах. Они очень слабо взаимодействуют с обычным веществом, и чтобы их изучать, ученые строят огромные сверхчувствительные детекторы.
"Согласно Стандартной модели, масса нейтрино равна нулю, но эксперимент показал, что масса, хоть и очень маленькая, не нулевая. Ничего революционного в этом нет. Немножко подправили формулы", — говорит Игорь Бойко.
Но почему нейтрино в миллион раз легче других частиц? Почему не в тысячу? Какой механизм отвечает за это?
"Можно и не отвечать на эти вопросы, и все же хочется иметь обоснование. Ведь отличие нейтрино от других частиц из чего-то следует. Есть гипотезы о тяжелых нейтрино, смешивающихся с легкими. Это можно будет проверить на ускорителе CLIC", — подчеркивает ученый.
Не находит объяснения в Стандартной модели и гравитационное взаимодействие, проблема антиматерии, которой почему-то очень мало во Вселенной по сравнению с обычной материей.
"Вырисовывается странная картина. С одной стороны, есть необъяснимые явления, и Стандартная модель должна где-то обязательно дать сбой, с другой — отклонений от теории до сих пор не обнаружено, хотя ученые проводят все более тонкие и точные эксперименты ", — отмечает Сергей Рубин.
По его мнению, ответы на многие из этих вопросов можно получить на основе концепции дополнительных измерений.
"Я этим занимаюсь, мне эта идея очень нравится, потому что дает надежду построить со временем ту самую Следующую Теорию. Но, боюсь, эти измерения окажутся такими маленькими, что мы никогда не откроем их напрямую. Впрочем, объяснить с их помощью все наблюдаемые эффекты — тоже достойная цель. Думаю, тут потребуются усилия многих ученых", — заключает профессор.