одящих магнитов, охлажденных до температуры 1,9 градуса выше абсолютного нуля – это меньше, чем в открытом космосе. Всего в нескольких сотнях метров к северо-востоку от играющих детей находится одна из четырех «зон боевых действий», где происходит столкновение двух протонных армий с энергией до 13 триллионов электронвольт (тераэлектронвольт, или ТэВ), порождающее ливни субатомных осколков.
Признаюсь, что, когда я был там в июне 2019 года, Большой адронный коллайдер (БАК) Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН) был закрыт для технического обслуживания и модернизации1. Это оказалось удачно, потому что давало возможность осмотреть подземную часть комплекса – полости, в которых размещаются гигантские детекторы элементарных частиц. Но к моменту издания книги очередной эксперимент на БАК – так называемый Run3 — будет в полном разгаре: релятивистские протоны будут снова сталкиваться лоб в лоб, а ученые займутся исследованием частиц, порожденных энергией столкновения в соответствии с классическим уравнением Эйнштейна E = mc2.
Большой адронный коллайдер – самый мощный ускоритель на встречных пучках – был введен в строй в 2008 году2. Но сам ЦЕРН гораздо старше, он был основан еще в 1952 году. Почти 40 лет назад, в 1982 году, группа ученых ЦЕРНа под руководством Карло Руббиа и нидерландского специалиста по ускорителям Симона ван дер Меера с помощью гораздо меньшего ускорителя – так называемого Протонного суперсинхротрона – обнаружила W– и Z-бозоны. Это массивные элементарные частицы – переносчики слабого взаимодействия. Позднее, в 2012 году, в результате анализа данных двух крупнейших детекторов кольца БАК – ATLAS и CMS – был обнаружен неуловимый бозон Хиггса – частица, которая отвечает за наличие массы у некоторых других частиц. (ATLAS – это сокращение от A Toroidal LHC ApparatuS («Тороидальный аппарат БАК»), а CMS расшифровывается как Compact Muon Solenoid («Компактный мюонный соленоид».) В последующие годы благодаря проводимым в ЦЕРНе экспериментам были обнаружены свидетельства существования новых и экзотических адронов – частиц, состоящих из двух, трех или даже четырех или пяти кварков.
Большой адронный коллайдер Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН), расположенный в туннеле вблизи Женевы (Швейцария), представляет собой 27-километровое кольцо
Электрослабые бозоны, частица Хиггса и даже тетракварки – все это части успешной Стандартной модели физики элементарных частиц наряду, в частности, с каонами, пионами, очарованными кси-плюс-гиперонами и омега-минус-гиперонами. Конечно, мы обычно с ними не сталкиваемся, в конце концов, наш материальный мир состоит только из протонов, нейтронов и электронов. Но эти незнакомцы – все из того же «зверинца» элементарных частиц. Просто большинство их живут очень недолго – за ничтожную долю секунды они распадаются на более привычные частицы. Но в условиях достаточно большой энергии, как в случае столкновения быстро движущихся протонов, экзотические частицы порождаются в таком количестве, что оставляют след в огромных детекторах, размещенных вокруг мест столкновения протонов.
Отсюда вопрос: если частицы темной материи действительно существуют, то могут ли они порождаться в Большом адронном коллайдере? Ответ в принципе положительный – они должны порождаться либо непосредственно из энергии двух сталкивающихся протонов, либо опосредованно, как продукт распада какой-нибудь промежуточной частицы.
К сожалению, мы пока еще не имеем ни малейшего представления о том, насколько часто при столкновениях протонов могут порождаться частицы темной материи, не говоря уже об их массе, так что никто не знает, чего нам ожидать. К тому же частицы темной материи вряд ли сами по себе распадаются на другие элементарные частицы: если они не были исходно устойчивыми, то в них не может быть сосредоточена бо`льшая часть массы Вселенной! А поскольку частицы темной материи практически не взаимодействуют с «обычным» веществом, их почти невозможно обнаружить. По сути, единственный способ состоит в очень тщательном изучении результатов столкновений протонов в БАКе – в том числе и предсказываемое количество вновь порожденных нейтронов, которые также не регистрируются детекторами. Если измеренная энергия или момент импульса не сходятся с предсказанными значениями, то мы, скорее всего, что-то упустили и это что-то вполне может оказаться темной материей.
Пока что детекторы вроде ATLAS и CMS не смогли обнаружить никаких убедительных проявлений темной материи. Но специалисты по физике элементарных частиц так легко не отступятся, и в случае темной материи, по их мнению, есть все основания продолжать поиски. Потому что обнаружение слабовзаимодействующих массивных частиц («вимпов» – WIMP – физики обожают всякие сокращения) не только может стать ключом к решению загадки темной материи, но, возможно, также позволит выйти за пределы Стандартной модели к новой захватывающей физике. В частности, существование вимпов может стать своего рода проверкой популярной физической концепции под названием «суперсимметрия»3.
Я уже кратко упоминал суперсимметрию в предыдущей главе, и у вас может возникнуть вопрос, зачем физики хотят расширить Стандартную модель, если она настолько полная и успешная. Но теория суперсимметрии была впервые предложена в 1971 году, когда термина «Стандартная модель» еще не было и в помине. Всеобъемлющая теория элементарных частиц и фундаментальных взаимодействий стала общепринятой только в 1983 году, когда были открыты W– и Z-бозоны, которые оказались в точности такими, как предсказывала Стандартная модель. И даже после того, как Стандартная модель вошла в физический обиход, ученые осознавали, что имеющееся математическое описание физического мира никак нельзя считать окончательным. В конце концов, Стандартная модель не учитывает ни темную материю, ни наличие у нейтрино очень малой массы, при том что, согласно теории, их масса должна равняться нулю. Это всего лишь две из самых актуальных проблем.
Концепцию суперсимметрии (которую иногда называют «СЬЮЗИ» (SUSY)) в первой половине 1970-х годов практически независимо друг от друга предложили четыре группы, каждая из которых состояла из двух физиков4. Все эти ученые задумались над странным обстоятельством: элементарные частицы четко делятся на два типа – фермионы (частицы материи, то есть кварки, электроны и нейтрино) и бозоны (частицы-переносчики взаимодействий). А что, если в природе есть некая глобальная симметрия, которая бы объединила оба типа частиц в рамках единого описания? Тогда фермионы и бозоны оказались бы просто двумя сторонами одной и той же суперсимметричной монеты. Каждому известному фермиону соответствовал бы некий бозон, и наоборот.
Для тех, кто не занимается физикой элементарных частиц, все это выглядит сильно притянутым за уши. Но именно так часто бывает в физике – ученые ищут закономерности, придумывают некий общий принцип, который может лежать в их основе, и затем исходя из полученной теории предсказывают новые объекты и явления. Таким образом Дмитрий Менделеев в 1869 году пришел к своей идее периодической таблицы. Он смог предсказать существование ранее неизвестных химических элементов задолго до того, как ученые стали приходить к пониманию устройства атомов. И таким же образом появилась квантовая хромодинамика – теория сильного ядерного взаимодействия: американский физик Мюррей Гелл-Манн и аспирант Джордж Цвейг обнаружили в свойствах элементарных частиц многообещающую математическую закономерность, что привело их к гипотезе существования кварков. Спустя четыре года – в 1968-м – эта гипотеза была подтверждена экспериментально.
Замечательная особенность SUSY состоит в том, что эта теория не только естественным образом связывает фермионы с бозонами, но также позволяет решить ряд проблем в физике элементарных частиц. Но моя книга не о физике элементарных частиц и тем более не о суперсимметрии, так что обойдемся без излишних подробностей. За исключением одного момента – суперсимметрия открывает дорогу к великой единой теории поля. Как показали в 1960-х годах Шелдон Глэшоу, Абдус Салам и Стивен Вайнберг, электромагнитное и слабое ядерное взаимодействие могут быть описаны в рамках единой теории. Но сильное ядерное взаимодействие не вписывалось в эту конструкцию. А вот SUSY как раз дает нам в руки инструмент, позволяющий описать все эти силы в рамках единой теории поля. К тому же SUSY – необходимый ингредиент теории струн – многообещающей, хотя и весьма умозрительной и гипотетической теории квантовой гравитации. А еще суперсимметрия естественным образом объясняет, почему масса частицы Хиггса составляет от 100 до 150 миллиардов эВ. Без SUSY бозон Хиггса был бы гораздо менее массивным.
Наконец, SUSY нравится экспериментаторам, потому что предсказывает новые физические явления, которые должны происходить при столкновениях с энергиями, намного превышающим те, что могут быть достигнуты сейчас, то есть 13 ТэВ. Это важный предел, потому что энергия эквивалентна массе и наоборот: столкновения с более высокой энергией порождают более массивные частицы. В стремлении обнаружить все более массивные частицы ученые увеличивают мощность своих приборов – теперь она достигла 13 ТэВ. Правда, пока что самая тяжелая из обнаруженных элементарных частиц – это открытый в 1995 году верхний кварк с массой «всего лишь» 173 миллиардов эВ. На предельных на данный момент энергиях пока что ничего не найдено. Если SUSY верна, то физикам-экспериментаторам надо продолжить увеличивать предельную энергию, и рано или поздно новые частицы найдутся.
ЦЕРН – это одна из организаций, нацеленных на повышение наших экспериментальных возможностей. Его основная территория расположена вблизи Женевского аэропорта и представляет собой обширный комплекс из офисных зданий, ангаров, складов и напичканных приборами лабораторий на улицах, названных в честь знаменитых физиков – улица Марии Кюри, улица Фейнмана, площадь Галилео Галилея и т. д. В этой научной нирване тысячи ученых со всего мира пытаются вместе проникнуть в самые фундаментальные тайны природы.