тотой, лежащей в ее основе.
Если б только постичь мы сумели, мой друг,
Тайну жизни, что всем управляет вокруг,
Разве б Замысел строгий склонить не рискнули
К зову наших сердечных томлений и мук?
Когда какие-то явления в природе нас озадачивают или противоречат нашим знаниям, мы можем, как рыбка Ньютон, представить себе идеальный мир, а затем попытаться встроить в него свой. Эта стратегия и привела к современному пониманию слабого взаимодействия.
Среда, усложняющая понимание слабого взаимодействия, называется конденсатом Хиггса в честь Питера Хиггса — шотландского физика, который внес важный вклад в эту гипотезу[114]. Впервые эту среду ввели как теоретический элемент для получения более красивых уравнений. Похожий прием использовала и рыбка Ньютон.
Удалив конденсат Хиггса, мы сможем построить теорию слабого взаимодействия, очень похожую на наши теории сильного и электромагнитного взаимодействий. В этом воображаемом мире переносчиками слабого взаимодействия являются аналоги глюонов и фотонов — W- и Z-бозоны. Они реагируют на два новых вида заряда — назовем их слабым зарядом A и слабым зарядом B — и изменяют их. A и B похожи на три цветных заряда квантовой хромодинамики и один электрический заряд квантовой электродинамики, но в то же время отличаются от них. Слабое взаимодействие — и только оно — может преобразовать единицу заряда типа A в единицу заряда типа B и, соответственно (поскольку частицы определяются своими свойствами), превратить один вид частиц в другой. В этом, как мы теперь лучше понимаем, и заключается природа преобразующей силы слабого взаимодействия.
Причина, по которой нам необходимо ввести конденсат Хиггса, такова: в реальном мире мы обнаруживаем, что W- и Z-бозоны, в отличие от глюонов или фотонов, имеют ненулевую массу. Чтобы завершить аналогию с электродинамикой и теорией сильных взаимодействий и получить такие же красивые уравнения, мы должны ввести среду, которая бы их замедляла.
Такая теория слабого взаимодействия сформировалась в 1960-х годах. В 1970-х начали накапливаться экспериментальные свидетельства в ее пользу, и в конечном счете они убедили всех. Но один большой вопрос остался без ответа: из чего же состоит эта важнейшая вездесущая и всепроникающая среда — конденсат Хиггса? Люди дали много умозрительных ответов. Некоторые считали, что он сделан из нескольких различных частиц, для объяснения которых нужно вводить новые силы или даже новые измерения пространства. Но самая простая и осторожная гипотеза вводила всего одну новую частицу — частицу Хиггса. Важно было проверить, использует ли природа этот простейший вариант.
Как мы ищем его
Если у конденсата Хиггса только один ингредиент, мы можем многое сказать о нем. Грубо говоря, если эта частица представляет собой часть (квант) конденсата, вопрос в том, насколько она велика. Таким образом, свойства и поведение частицы Хиггса можно предсказать, узнав ее массу. Поставив такую цель, экспериментаторы смогли спланировать стратегию «охоты» на частицу Хиггса. Они делали это, имея вполне определенные представления о том, что ищут и как это распознать.
Чтобы «поймать» частицу Хиггса, нужно сделать две вещи: создать несколько таких частиц и получить доказательства их мимолетного существования. Оба шага очень сложны. Чтобы создавать тяжелые элементарные частицы, вы должны сконцентрировать в очень маленьком объеме большую энергию. Это делается на ускорителях, где пучки быстро движущихся протонов (или других частиц[115]) сталкиваются с материалом мишеней или друг с другом. Несколько лет до 2012 года поиски частиц Хиггса велись путем экспериментов, где концентрация энергии все время наращивалась, но тщетно. Теперь, оглядываясь назад, мы знаем: энергии нам все равно не хватало. И наконец, появился Большой адронный коллайдер, или БАК.
БАК представляет собой круглый подземный туннель длиной около двадцати семи километров. Он прорыт в сельской местности на территории Франции и Швейцарии. В рабочем режиме БАК два узких пучка протонов мчатся в противоположных направлениях внутри проложенной через туннель трубы. Двигаясь почти со скоростью света, протоны совершают одиннадцать тысяч оборотов в секунду.
Пучки пересекаются в четырех точках. Сталкивается только небольшая часть протонов, но это все равно составляет почти миллиард столкновений в секунду. Вся эта огневая мощь создает концентрацию энергии, необходимую для образования частиц Хиггса.
Следующая задача — обнаружить их. В точках пересечения пучков расположены огромные высокотехнологичные детекторы. Один из них — ATLAS — более чем в два раза превышает Парфенон. Детекторы измеряют энергии, заряды и массы частиц, возникающих в результате столкновений, а также определяют направления их движения. Они передают всю эту информацию со скоростью 25 миллионов гигабайт в год во Всемирную сеть, которая связывает тысячи суперкомпьютеров. Ее сбор необходим по следующим причинам.
• События сложные. Обычно из каждой частицы образуется десять или более других.
• Лишь в небольшом количестве событий — менее чем в одном на миллиард — участвуют частицы Хиггса.
• Время жизни частицы Хиггса — примерно 10–22 секунды, то есть несколько десятых долей одной триллионной одной миллиардной доли секунды. Именно поэтому даже в событиях, в которых бозоны Хиггса все-таки участвовали, их присутствие было крайне кратковременным.
• В этих редких событиях, в которых так недолго присутствовали частицы Хиггса, участвует еще множество других частиц.
Короче говоря, охотясь на частицу Хиггса, вы должны очень хорошо понимать, что происходит, и отслеживать не только процессы с ее участием, но и все остальные. С одной стороны, важно не пропустить нужное событие, ухватившись за некоторые почти неизбежные последствия мимолетного присутствия частицы Хиггса, а с другой — предстоит отмести все посторонние процессы. Иначе вы получите массу ложных срабатываний.
Об открытии частицы Хиггса объявили 4 июля 2012 года. Удалось зарегистрировать сигнал, соответствующий избыточному количеству пар фотонов высоких энергий. Было предсказано, что такие пары возникают в результате распадов частиц Хиггса, а обнаруженное их количество явно превышало то, которое могло появиться в результате любой другой вероятной реакции[116]. С тех пор обнаружено еще несколько типов сигналов, возникающих из-за реакций распада частиц Хиггса. Частота их появления совпадала с теоретическими предсказаниями.
«Поймав» частицу Хиггса, мы расширили границы своего восприятия. Мы увидели то, что природа делает очень редко, очень ненадолго и только после того, как ее сильно попросить. Для пытливого человеческого ума пустое пространство больше никогда не будет выглядеть пустым. Рыбка Ньютон и Питер Хиггс научили нас этому.
Что мы ищем и почему
Напомним образное описание общей теории относительности, данное Джоном Уиллером: «Пространство-время указывает материи, как двигаться; материя указывает пространству-времени, как изгибаться». Афоризм Уиллера запоминается, но он же и вводит нас в заблуждение, точнее, к нему нужно важное дополнение: пространство-время — это тоже форма материи.
В частности, неправильно думать, что кривизна пространства-времени полностью определяется чем-то инородным, а именно «материей». Искривление пространства-времени требует энергии, а энергия вынуждает пространство-время изгибаться. Таким образом, кривизна сама участвует в создании себя. Пространство-время живет собственной жизнью.
Мы уже слышали об этом раньше. Триумфальная фарадеевская концепция поля, а точнее, уравнений Максвелла, облекшего ее в математическую форму, привела к открытию электромагнитных волн. Электромагнитное поле тоже живет собственной жизнью. Изменяющиеся электрические поля создают изменяющиеся магнитные поля, которые создают изменяющиеся электрические поля и так далее до бесконечности. Самоподдерживающееся возмущение полей движется в пространстве. Если оно повторяется с подходящей частотой (длиной волны), мы увидим его в виде света. Мы научились ловить и другие длины волн с помощью разных детекторов — например, радиоприемников или посуды в микроволновках.
Искривленное поле Эйнштейна, которое отвечает за гравитацию, точно так же рождает самоподдерживающиеся возмущения — гравитационные волны. В них искривление пространства-времени в одних направлениях вызывает искривление в других.
Уравнения для гравитационных волн очень похожи на уравнения для электромагнитных — только смысл символов другой[117]. Типы источников, возбуждающих волны, различны: для электромагнитных волн это движущиеся электрические заряды, а для гравитационных — движущиеся массы. А еще, несмотря на качественное сходство, существует большая количественная разница между этими волнами.
Она возникает из-за того, что, согласно общей теории относительности, пространство-время — чрезвычайно жесткая структура и даже быстрые движения, связанные с большими массами, вызывают в ней лишь крошечные колебания. Это и хорошая и плохая новость.
Хорошая новость: гравитационные волны несут сообщения о некоторых самых бурных и интересных событиях во Вселенной, в которых участвуют крупные объекты. Эти волны дают нам новый способ познания Вселенной, остается лишь учиться фиксировать такие данные. Например, лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория — LIGO — разрабатывалась в расчете на сигналы от нескольких необычных источников. Это могли бы быть взрывы в системе двух вращавшихся друг вокруг друга черных дыр или нейтронных звезд или черной дыры и нейтронной звезды в последний момент перед слиянием. Поскольку из-за гравитационного излучения вращающиеся объекты теряют энергию, их орбиты сближаются — медленно и постепенно, вплоть до последних мгновений. На последнем витке они, наоборот, движутся очень быстро. Именно тогда всплеск излучения становится таким сильным, что его можно зарегистрировать.