Новая частица, которую засек детектор Теватрона, физику не потрясла. Напротив, она подтвердила теорию стандартной модели.
Новейшая эпоха в физике элементарных части началась с подземного строительства, которому до прокладки тоннеля под Ла-Маншем не было равных. В этих тоннелях потом разместится Большой андронный коллайдер.
На минувшей неделе международная группа физиков, работающая на ускорителе Теватрон (США) сообщила об открытии новой частицы— кси-b-бариона. Вэти же дни во французском Гренобле на конференции EPS-HEP были обнародованы первые серьезные результаты работы Большого адронного коллайдера. Последние достижения физики элементарных частиц, с одной стороны, подтверждают всевластие так называемой Стандартной модели мироздания— существование замеченной частицы было предсказано теорией. Однако все более сложные эксперименты на ускорителях могут открыть миру и совершенно новую физику.
Стандартной моделью (СМ) называют общепринятую на сегодня картину устройства мироздания на самом фундаментальном уровне. Цель, ради которой сложнейшее и весьма дорогостоящее оборудование монтируют в подземных залах имногокилометровыхтоннелях коллайдеров,— найти пределы этой модели, за которыми наши представления о мире неверны. Или же выяснить, что именно мы уже сейчас понимаем правильно.
СМ хороша почти везде и всюду, но будет ли она работать дальше? В конце XIX века классическая физика тоже хорошо объясняла почти все окружающие нас процессы, кроме нескольких проблем, казавшихся далеким от науки людям чем-то малозначительным, таких, например, как теория спектров или радиоактивный распад. Но затем из этих задач развилась вся современная наука и большая часть технологий— от ядерных устройств до интернета. Сейчас передним краем науки является физика элементарных частиц— может, в ней назревает нечто подобное, настоящий прорыв?
Мир частиц
В Стандартной модели вся материя состоит из кварков (которых шесть типов), лептонов (это электрон и нейтрино трех сортов) и трех полей, при помощи которых все это (а на каждую частицу, от кварка до нейтрино, есть своя античастица) взаимодействует: электромагнитного, сильного и слабого. Пока что СМ самая полная картина мира, которая когда-либо создавалась человечеством, но она изначально имела и свои слабые стороны.
Прежде всего Стандартная модель описывает мир, в котором все частицы имеют энергию не выше определенного порога, примерно в один тераэлектронвольт на частицу. Это значит, что в абсолютном большинстве процессов Вселенной СМ работает, но вот рождение нашего мира, Большой взрыв, уже адекватно описать не получится. Кроме того, в ряде астрофизических процессов тоже явно речь идет о больших энергиях, ибо космические обсерватории и детекторы космических лучей регулярно фиксируют следы таких событий.

Важно подчеркнуть то, что даже если в физике произойдет революция и СМ сменит какая-то совершенно новая теория, недавние открытия никуда не денутся. Известный всем со школьной скамьи закон Ома или результаты опытов Лавуазье (определил долю кислорода в воздухе) современные электродинамика и химия не перечеркивают: просто к старым фактам прибавляются новые, точность чисел растет, а закономерности дополняют областью их применения.
Открытие по плану
Кси-b-барион, об обнаружении которого сообщила международная группа ученых, работающих на американском Теватроне, основы физики не сотряс. Сочетание u, s и b-кварков предсказывалась теоретиками в рамках Стандартной модели, поэтому ученые знали, на что эта короткоживущая частица распадется. Из теоретических соображений знали и то, что она не успеет перед этим пролететь даже миллиметра. Внутри детектора CDF Теватрон сталкивает протоны и антипротоны. Ифизикам «оставалось только» из миллиардов следов продукта распада набрать достаточное число характерных комбинаций.
Кавычки,конечно,неслучайны— за ними стоят многие годы труда уже не теоретиков, а специалистов по детекторам и компьютерных систем анализа данных. Осложности стоящей за этим плановым открытием техники может сказать сочетание размеров установки с их составом. Детекторы, внутри которых во время сборки можно свободно перемещаться где ползком, а где и в полный рост, плотно забиты деликатным и умным оборудованием— светящимися при попадании частиц кристаллами, кремниевыми пластинами, охлаждаемыми до минус 269 градусов магнитами, множеством датчиков, проводов и электронных схем. Причем вдобавок все это обязано работать без сбоев годами и в условиях жесткого радиационного облучения, будучи плотно упакованным вокруг вакуумной трубы коллайдера. Терабайты поступающих из недр детектора данных записываются, и на их обработку нередко уходят даже не месяцы, а годы.
Новый барион (барионы— частицы, образованные тремя кварками) стал маркером того, что в еще одной области Стандартная модель верна, и тем самым ограничил областьдлядальнейшихпоисков. Кроме того, он стал довольно удачным объектом для специалистов, моделирующихвзаимодействие кварковвнутриоднойчастицы. Это взаимодействие можно представить не как три равноправные частицы, а как два кварка в поле, создаваемым третьим, самым тяжелым компонентом— математически такое легче просчитать, чем систему из трех схожих объектов. Апоиск способов просчитать поведение составных частиц— это уже отдельная задача, стоящая уровнем ниже: вместо наиболее общего описания мира предоставить понимание ряда вполне конкретных феноменов.
«Открытие кси-b-бариона показало, что Стандартная модель в целом отлично работает, в том числе в части описания кварков и структуры барионов. Пока что теоретические предсказания СМ вновь и вновь подтверждаются ускорительными экспериментами. Впрочем, внушительный объем данных с более мощного Большого адронного коллайдера, где одних t-кварков засекли уже вдвое больше, чем видели до этого на Теватроне, открывает новые неизведанные территории»,— заявил «МН» кандидат наук Андрей Логинов, входящий в международные группы ученых, работающих с детектором ATLAS на Большом адронном коллайдере и CDF на Теватроне.
Прииближаясь к Хиггсу
Самая горячая тема в физике элементарных частиц— это поиск бозона Хиггса. Он интересен как ключевой элемент Стандартной модели, в которой бозон Хиггса не одна частица из сотен других, а первопричина массы и то, благодаря чему наш мир выглядит именно так, как он выглядит.
Если бы бозонов Хиггса не было, то в нашем мире мало того, что было бы меньше фундаментальных полей, в нем бы еще и не было массы. Втакой Вселенной не появились бы атомы и, конечно, в ней не было бы жизни, по крайней мере так гласит физика Стандартной модели и теория, называемая хиггсовским механизмом. Теория, у которой есть неприятный недостаток— отсутствиеэкспериментального обнаружения тех самых бозонов Хиггса. Недостаток неприятный, но не фатальный. Чтобы увидеть что-то интереснее протона или нейтрона, надо использовать ускорители, причем для некоторых частиц необходимо строить циклопические сооружения вроде Большого адронного коллайдера (LHC) или Теватрона. Раз бозон не нашли ранее, с высокой вероятностью это может значить, что инструмент для его поиска был недостаточно мощным— мала энергия частиц, мало количество столкновений.
На конференции EPS-HEP (организованной Европейским физическим обществом и проходившей в Гренобле, крупном научном центре Франции), где докладывали результаты работы ведущих научных групп мира, рассказывалось в том числе и о последних результатах, полученных на лучших коллайдерах мира: Теватроне и Большом адронном коллайдере (LHC). Онивселяют определенный оптимизм: область возможного поиска бозона Хиггса продолжает сужаться, причем это не тот случай, когда уместен оборот «медленно, но верно». Работы по отладке LHC закончились, теперь коллайдер выдает данные рекордными темпами, в полной мере оправдывая ожидания ученых.
Сугубопредварительныеданные с детектора ATLAS говорят о том, что бозон может иметь массу, близкую к одному из трех значений— 150, 220 и 480 гигаэлектронвольт, это способно существенно продвинуть вперед дело. Возможно, к 2012 или 2013 году мы узнаем, есть ли бозон Хиггса с массой меньше 500 ГэВ. Если выяснится, что есть,— это будет блестящим подтверждением наиболее признаваемой модели. Если нет, то возможен один из двух вариантов: либо бозона Хиггса нет вовсе, либо его масса существенно выше.
Во втором случае речь идет об экзотическихвариантаххиггсовского механизма (у теоретиков уже есть и куча «запасных» моделей, более того, регулярно появляются новые), а в первом— для объяснения того, откуда у частиц масса, придется привлечь еще какие-нибудь частицы, ныне неизвестные физические поля или даже лишние пространственные измерения. Ужев этом десятилетии мы можем внезапно обнаружить прямые указания на то, что живем в мире со спрятанными измерениями или доселе не известными полями. Либо будет доказано, что физикам действительно удалось создать очень хорошую теорию.
За пределы
Планомерным сужением области поиска ключевой для современной физики частицы и лишними подтверждениями иных предсказаний Стандартной модели ученые в последнее время не ограничивались. На конференции EPS-HEP, где собрались представители лучших научных групп мира, речь шла и о том, что способно открыть мир совершенно новой физики. То есть о новых аномальных частицах и явлениях.
По словам Андрея Ларионова, Стандартная модель «плохо описывает астрофизические данные». «Это может указывать как на то, что СМ есть часть чего-то большего, так и на то, что эти данные пока что некорректно интерпретируют»,— заявил «Московским новостям» ученый.
В рамках Стандартной модели можно предложить массу частиц, которых пока либо никто не видел, либо слишком мала статистика наблюдений. Их обнаружение никакого переворота в науке не вызовет. Аналогично есть не наблюдавшиеся, но уже предсказанные теоретиками явления,— расчеты показывают, что при таком-то столкновении родятся такие-то частицы, полетят в определенном направлении, при этом возникнут еще частицы; компьютерное моделирование нарисует красивый фейерверк внутри детектора, а потом почти такую же картину увидят в эксперименте. Это своего рода рутина, необходимая для научного поиска, но не тянущая на переворот.
Но есть и неожиданные результаты, вроде тех, что были получены весной этого года на ускорителе Теватрон. Физики проводили столкновения протонов и антипротонов, после чего, как это и делается во всех коллайдерах, смотрели на то, что и куда полетит. Так как протоны и антипротоны разогнаны до весьма внушительной энергии около одного тераэлектронвольта, при столкновении эта энергия превращается в массу, подтверждая тем самым знаменитую эйнштейновскую формулу E=mc2.
Переходвмассуозначает,что вместо трех кварков из протона и трех антикварков из его античастицы в месте столкновения рождается полный набор разных кваркови антикварки всех шести видов. Итеория предсказывала, что эти новые частицы полетят почти равномерно во все стороны; в эксперименте же выяснилось, что один из видов кварков, t-кварк, почему-то летит преимущественно по направлению движения протонов. По мнению ученых это могло указывать на существование не предсказанных Стандартной моделью частиц.
Чтобы выяснить истину, и на Теватроне, и на LHC принялись перепроверять результаты. Физикам из LHC пришлось сложнее в силу того, что они сталкивали протоны с протонами, а не протоны и антипротоны (для которых как раз наблюдался эффект), но на их стороне была большая интенсивность пучка частиц и большая энергия. Несколько месяцев работы, и вот результат— детектор CMS, по предварительным данным, ничего подозрительного не засек. Агруппа CDF и после дополнительных перепроверок видит все ту же аномалию. Учитывая сложнейший характер установок и экспериментов, это может оказаться какими-то побочными эффектами, которые не связаны с фундаментальным прорывом в физике, но пока что ставить точку тут явно преждевременно.
И это не единственное возможное окно в мир по-настоящему больших и внезапных открытий. Другие окна на стене физики элементарных частиц рисуют теоретики— результатов LHC ждут не только потому, что они позволят проверить существование бозона Хиггса, но и потому, что они позволят проверить ряд экзотических теорий. Например, детекторы неспроста отслеживают энергию частиц— возможно, говорят теоретики, часть ее при столкновениях может начать проваливаться в другие пространственные измерения, а наше пространство-время окажется не четырехмерным, а содержащим лишние измерения. Другая теория для проверки— может, кварки тоже составные частицы? Или,может, есть какое-то новое поле, которое проявляет себя только по отношению к частицам с энергией выше критической— заметить его на земле нельзя, потому что процессы с такими частицами проистекают только в ядре галактики, вблизи черных дыр?
В этом месте с физикой элементарных частиц сопрягается астрофизика и даже космология, наука о Вселенной как целом. Ведь мы до сих пор не знаем, какие частицы слагают темную материю. Или, может, это вообще не точечные частицы, а абсолютно тонкие отрезки струн?
Также в разделе
