Жизнь после Хиггса

Но все не так страшно! Ведь этот предел очерчивает всего лишь контуры существующей физической концепции, и он был уже не единожды преодолен. Так, Галилей, сбрасывая с Пизанской башни мушкетные пули и пушечные ядра небольшого, разумеется, калибра, попутно «разбомбил» Аристотелеву картину мироздания, вполне стройную, хотя во многом излишне мифологичную. По Аристотелю – чем тяжелее тело, тем быстрее оно падает. И разве повседневный опыт это не подтверждает?

Точно такими же «бомбами» для существовавших когда-то физических концепций стали опыты с рентгеновским излучением и дифракция электронов, поначалу отнесенные к разряду грубых экспериментальных ляпов. Однако позже они привели к пересмотру фундаментальных понятий и необходимости создания совершенно новых теорий.

Бозон Хиггса подобен последней золотой крупинке, найденной запоздавшим старателем на некогда богатом месторождении. Дальше простого лотка уже мало, нужно рыть глубокие и дорогие шахты в надежде добраться до главной жилы. Применительно к современной физике это значит, что теоретические построения уступили приоритет Его Величеству эксперименту (по сути – методу научного «тыка»). Проблема в том, что мы толком и не понимаем, куда же надо «тыкать»…

Частица Хиггса – вовсе не обычный элементарный фермион (частица с полуцелым значением спина) по типу протона или нейтрона. Это – квант поля (в данном случае так называемого калибровочного), объект виртуальной массы (не имеющий массы покоя, но обладающий энергией), отвечающий за перенос какого-либо взаимодействия. Такие частицы – бозоны – могут как два луча света проходить сквозь друг друга, никак при этом не реагируя, а их экспериментальное обнаружение сводится к поиску комплекса косвенных признаков, каждый из которых может отвечать и другим явлениям.

Откуда он вообще взялся? Появился как попытка объяснить одну из величайших диспропорций (или принципов?) мироздания – превосходство поля над веществом. Для понимания сути проблемы следует вернуться к фундаментальному физическому постулату о материи. Согласно устоявшимся представлениям, она имеет двойственную природу: материя состоит из вещества – дискретных частиц – и непрерывного поля. При этом природа последнего никак не конкретизируется: предполагается, что оно едино и всеобъемлюще, а современная «сортировка» на гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия – всего лишь попытка судить о слоне только по его хвосту или бивням (см. индийскую притчу о слоне и слепых мудрецах).

Следовательно, все частицы делятся на частицы поля и частицы вещества, не являясь, согласно принципу корпускулярно-волнового дуализма, абсолютными антагонистами. Объединяет их один вселенский универсум – энергия, свойства которой иногда внушают поистине мистические чувства. Это понятие настолько емко и многомерно, что приходится удивляться, почему до сих пор нет религиозного культа поклонения Мировой Энергии. Применительно к частицам поля знаменитое соотношение Эйнштейна E = mc2 позволяет оперировать их гипотетической массой, а частицам вещества – приписывать некоторые волновые свойства.

Сегодня принято считать, что «масса» полей, связанных с реликтовым излучением, на несколько порядков превышает массу всех фермионов. Такое соотношение навело физиков на мысль о приоритетах мироздания: в начале начал – некое всеобщее суперсимметричное поле, породившее все сущее, в том числе и читателя, добравшегося до этого текста. Так вот: «частица Бога» (так окрестил бозон Хиггса нобелевский лауреат по физике Леон Ледерман) отвечает за появление массы у бестелесных флуктуаций Мегаполя-прародителя. Во многом это утверждение можно считать квинтэссенцией Стандартной модели, адаптированной для аудитории, не столь искушенной в теоретической физике, которую, быть может, пора переименовывать в натурфилософию.

Надо понимать, что Стандартная модель охватывает только взаимодействия на уровне микромира, исключая при этом гравитацию и темные материю и энергию. В ней также проигнорированы пропажа антиматерии (имеется в виду крайний дефицит античастиц во Вселенной, хотя в рамках существующих теорий их должно быть столько же, сколько и «нормальных») и результаты опытов по нейтринной осцилляции (грубо говоря, превращению в частицу другого поколения или в антинейтрино. – Ред.). Так что Стандартная модель никак не может претендовать на роль глобальной теории всего на свете. А самое печальное заключается в том, что Стандартная модель ограничена и практически замкнута, не суля значительных открытий «на кончике пера». И когда в масс-медиа звучат декларации по поводу «конца классической физики», «открытия последней частицы» и тому подобного, вовсе не имеется в виду, что мы открыли ВСЕ законы и обнаружили ВСЕ частицы. Речь идет всего лишь о теоретическом тупике, исчерпании существующих научных моделей, в конце концов, ограниченности наших знаний об окружающем нас мире. Большой адронный коллайдер (БАК) – «ключ» к двери, за которой – не знакомая уютная улочка с овощным магазинчиком на углу, а огромный девственный континент с тропическими лесами и полярными пустынями. Хотя какой же это «ключ»? Любой ускоритель (БАК – не исключение) больше похож на кувалду в руках часовщика…

В этот мощный инструмент вкладываются все новые и новые средства, хотя он и так стал одним из самых дорогих в истории экспериментальных приборов. Программа последовательных модернизаций предполагает к 2030 году повысить интегральную светимость (параметр, характеризующий эффективное сечение пучков, – чем он выше, тем больше число взаимодействующих частиц и больше вероятность реакции) не менее чем в 25–30 раз.

Что же надеются обнаружить ученые? Прежде всего, дело касается уточнения и расширения Стандартной модели, а в перспективе – включения ее в теорию Суперсимметрии, объединяющей все типы взаимодействий (включая гравитацию). Согласно этой теории, у каждого фермиона (кварка и его комбинаций – адронов, электрона и нейтрино) должен быть свой бозонный аналог, который отвечает за перенос того или иного вида взаимодействий. Однако справедливо и обратное утверждение: каждому бозону – свой фермион (суперсимметрия же!). Внутриядерным глюонам (от английского to glue – «склеивать») должны соответствовать глюино, фотонам (переносчикам электромагнитного взаимодействия) – фотино, а W-частицам, отвечающим за слабые взаимодействия, – вайно (или вино, кому как нравится). Как вы догадываетесь, и бозон Хиггса должен иметь фермионного собрата. Как он называется? Правильно, хиггсино!

Основная сложность заключается в том, что «конструкция» гипотетических частиц предполагает более 100 различных параметров заряда, массы и размера, которые могут находиться в огромном количестве сочетаний. Кроме того, некоторые соображения подсказывают, что поиск надо вести среди короткоживущих высокоэнергетических частиц, рождающихся при столкновениях адронов на околосветовых скоростях. Однако результаты исследований на БАК говорят, что самые простые и эффектные модели Суперсимметрии не подтверждаются. Но это отнюдь не ставит крест на самой концепции.

Теория Суперсимметрии указывает, что должны быть и частицы без заряда, подобные нейтронам, – нейтралино, представляющие удивительный конгломерат из Z-ино (так называемого суперпартнера Z-бозона), фотино и хиггсино. По мнению теоретиков, нейтралино массой до 5000 ГэВ (гигаэлектронвольт) отвечают за существование «темной» материи, пока проявляющей себя только косвенно, через гравитационное взаимодействие. Особый интерес вызывают реликтовые нейтралино, появившиеся в результате слияния частиц на ранних «сверхгорячих» этапах жизни Вселенной. И здесь коллайдер совершенно определенно помочь не сможет: эти гипотетические частицы следует искать в космосе, используя нечто вроде ловушки из комедии «Охотники за привидениями».

Для грядущего Великого объединения – единой теории, связывающей все виды взаимодействий и одинаково справедливой как для микромира, так и для Вселенной в целом, – крайне нужны частицы-переносчики гравитационного взаимодействия. Ведь получается нелогично. У всех видов взаимодействий переносчики есть. Даже у поля Хиггса, больше напоминающего математический фокус, нежели физический объект, есть свой бозон, а у гравитации, определяющей сценарий жизни целой Вселенной, – нет.

Гравитоны представляют собой безмассовые частицы, очень слабо взаимодействующие с веществом. Очевидно, что даже десяток коллайдеров не поможет найти хоть какие-то признаки существования гравитонов. Прототипом «ловушки» для «призраков» тяготения стала лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) – амбициозный проект стоимостью 365 миллионов долларов, переросший в Международное научное сообщество, объединяющее 40 институтов и более 600 отдельных ученых, в том числе из России.

Дальше начинается чистая экзотика. Если поиски нейтралино и гравитона еще имеют какое-то теоретическое обоснование, то как же быть с таким видом взаимодействия, как спиновый обмен? Он осуществляется объектами, лишенными всех привычных атрибутов элементарных частиц – вполне определенных заряда, массы, размера. К тому же в экспериментах эти объекты могут рождаться… дробными частями! За такие вопиюще неправильные качества автор гипотезы американский физик Ховард Джорджи (Howard Georgi) назвал их… нечастицами (англ. unparticle stuff)! Впрочем, интенсивность взаимодействий нечастиц, по оценкам, на несколько порядков меньше гравитации, поэтому их достоверное экспериментальное обнаружение в ближайшем будущем маловероятно.

Но и это еще не все. Как вам нравится частица, спокойно нарушающая законы сохранения, с массой, функционально зависящей от локальной плотности энергии? Ее придумал физик из Пенсильванского университета Джастин Хури (Justin Khoury) в 2003 году. Таким частицам, названным «хамелеонами», сопоставляется весьма странная сила. При обилии вещества она практически никак себя не проявляет. Но совсем иное дело – вакуум высокой степени и межгалактические пространства с низкой удельной энергией полей: в таком окружении загадочная сила разворачивается во всем великолепии и принимает космологический масштаб, отвечая, ни много ни мало, за расширение Вселенной!

«Хамелеоны», кроме себе подобных, также взаимодействуют с фотонами, особенно в сильных магнитных полях. Первичные расчеты показывают, что в таких условиях возможны взаимные превращения фотонов и «хамелеонов». Косвенное подтверждение существования таких частиц получил английский физик Дуглас Шоу из Лондонского университета Королевы Марии. Анализируя световые потоки от нескольких десятков удаленных галактик, он пришел к выводу, что часть фотонов, пройдя сквозь сильные магнитные и гравитационные поля, «потерялась». На роль похитителей могли бы претендовать и «хамелеоны», переведя видимый свет в пресловутую «темную» энергию.

Недостача фотонов косвенно подтверждает предположение Эйнштейна о существовании некой космологической постоянной, не дающей привести Вселенную в состояние «гармоничного равновесия» (по выражению самого ученого). Позже Эйнштейн посчитал дополнительный и на первый взгляд искусственный параметр своей грубейшей ошибкой, однако в действительности все может обстоять иначе. Именно «темная» энергия, мелькнувшая в теоретических построениях в виде космологической постоянной, не дает материи схлопнуться в гравитационном коллапсе. Именно она отвечает за труднообъяснимое, но достоверно зафиксированное разбегание галактик (чем дальше, тем быстрее они удаляются, причем этот эффект совершенно не зависит от направления).

И кто-то еще говорит о конце физики?