Грядущая революция в физике частиц

Выйдя за рамки возможностей современных ускорителей, физики осознали, что Стандартная модель физики элементарных частиц не способна объяснить процессы, происходящие при сверхвысоких энергиях. Независимо от результатов экспериментов, проведенных на Большом адронном коллайдере, можно с уверенностью утверждать, что эти данные выведут физику на качественно новый уровень.

Когда к физикам обращаются с просьбой одним словом сформулировать предназначение строящегося Большого адронного коллайдера (БАК), они обычно отвечают: «Хиггс». Для ученых, занимающихся современной теорией строения материи, частица Хиггса — последний недостающий элемент головоломки. Тем не менее это не единственная цель создания такого ускорителя, ведь возможности нового коллайдера будут во много раз превосходить все существующие инструменты физики элементарных частиц. Невозможно точно предсказать результаты предстоящих экспериментов, но открытия, которые будут сделаны, и новые загадки, с которыми столкнутся ученые, окажут, без сомнения, большое влияние не только на данную область физики, но и на многие смежные науки. В этом новом мире одной из важнейших задач будет обнаружение различий между двумя видами взаимодействий — электромагнитным и слабым. Решение этой проблемы изменит наши представления об окружающем мире и заставит по-новому взглянуть на простые и глубокие вопросы. Чем обусловлено существование атомов? Почему протекают химические процессы? Что делает возможным существование устойчивых структур? Таким образом, поиск частицы Хиггса — безусловно, важный, но только первый шаг. За ним последуют эксперименты, которые могут прояснить, почему гравитация намного слабее других сил природы, помочь выявить сущность темной материи, заполняющей Вселенную. Еще глубже лежит перспектива достичь понимания других форм материи, природы пространства-времени и единства внешне различных категорий частиц. Многие физики уверены, что все эти вопросы тесно связаны как друг с другом, так и с рядом проблем, которые мотивировали предсказание частицы Хиггса. БАК поможет прояснить ситуацию и подскажет путь к правильным ответам.

Материя: с чем мы имеем дело

Несмотря на то что так называемая Стандартная модель физики в настоящее время находится в процессе развития,  она может объяснить многие явления в нашем мире. Своими успехами она в основном обязана 1970-ми 1980-м гг., когда обсуждения важнейших экспериментальных открытий вызвали появление новых теоретических идей. Многие специалисты по физике элементарных частиц оценивают прошедшие 15 лет как эру консолидации теорий и их сопоставления с экспериментами — в отличие от предшествовавших десятилетий разрозненности. Тем не менее когда Стандартная модель была подтверждена экспериментально, стало очевидно, что список явлений, лежащих вне ее, растет, а новые теории расширили наше представление о том, как мог бы выглядеть мир при более глубоком и широком его понимании. Достижения в теории и прогресс в экспериментальной физике указывают на то, что впереди нас ожидает очень плодотворное десятилетие. Возможно, оглянувшись назад, мы поймем, что все это время в физике назревала революция.

В современной теории строения материи главную роль играют два вида частиц: кварки и лептоны, а также три из четырех известных фундаментальных взаимодействий: электромагнитное, сильное и слабое. Гравитация пока остается в стороне. Кварки, из которых состоят протоны и нейтроны, могут быть как причиной возникновения всех трех сил, так и подвергаться их влиянию, а лептоны (самый известный из которых — электрон) в свою очередь не подвержены сильному взаимодействию. Различие между этими двумя категориями частиц — свойство, похожее на электрический заряд и называемое цветом. (Это название условное и не имеет никакого отношения к обычным цветам.) Кварки имеют цвет, а лептоны нет.

Главный принцип Стандартной модели состоит в том, что ее уравнения являются симметричными. Точно так же, как сфера выглядит одинаково, под каким бы углом на нее ни взглянули, уравнения оста­ются неизменными при так называемых глобальных фазовых вращениях. Кроме того. Стандартная модель обеспечивает инвариантность уравнений даже в том случае, когда такое фазовое вращение отличается в различных точках пространства-времени.

Важно отметить, что свойство симметрии геометрического объекта накладывает на его форму очень жесткие ограничения. Если на сфере появится выпуклость, то она уже не будет выглядеть одинаково со всех сторон. Аналогично, условие симметрии уравнений заставило физиков дополнительно ввести силы, которые переносятся специальными частицами, названными бозонами.

Таким образом. Стандартная модель обращает архитектурный принцип Луиса Салливена (Louis Sullivan), и теперь вместо принципа «форма следует из содержания» физики предлагают формулу «содержание следует из формы». Это означает, что форма теории, выраженная в симметрии уравнений, определяет ее содержание, т.е. описываемые взаимодействия между частицами. Например, теория, описывающая сильное ядерное взаимодействие, следует из условия независимости уравнений от определения цветов кварков (даже если эта инвариантность устанавливается независимо в каждой точке пространства-времени). Сильное взаимодействие переносится восемью частицами, известными как глюоны. Другие две силы, электромагнетизм и слабое ядерное взаимодействие, попадают в раздел «электрослабых» взаимодействий и связаны с другим видом симметрии. Электрослабые взаимодействия переносит четверка частиц: фотон, Z-бозон, W⁺ - бозон и W ^-- бозон.

Нарушение симметрии

 Теорию электрослабого взаимодействия сформулировали Шелдон Глэшоу (Sheldon Glashow), Стивен Вейнберг (Steven Weinberg) и Абдас Салам (Abdus Salam), получившие за эту работу в 1979 г. Нобелевскую премию по физике. Слабое взаимодействие проявляется в радиоактивном бета-распаде и не действует ни на кварки, ни на лептоны. Каждая из этих частиц существует в двух зеркальных вариантах,  которые называют лево- и правосторонними, а силы бета-распада действуют только на левосторонние частицы — поразительный факт, вот уже 50 лет после его открытия остающийся необъясненным. Симметрия семейства левосторонних частиц может помочь создать теорию электрослабого взаимодействия.

На начальных этапах своего построения теория имела два существенных недостатка. Во-первых, она предусматривала четыре частицы-переносчика дальнодействующей силы, называемые калибровочными бозонами, тогда как в природе существует только одна — фотон. Три другие действуют на гораздо более коротких расстояниях, меньше чем 10^-17 м, т.е. меньше, чем 1% радиуса протона. Согласно принципу неопределенности Гейзенберга, этот ограниченный диапазон подразумевает, что частицы-переносчики взаимодействия должны иметь массу, приближающуюся к 100 млрд электронвольт (100 ГэВ). Второй недостаток заключается в том, что симметрия семейства частиц не допускает наличия массы ни у кварков, ни у лептонов, в то время как в действительности все эти частицы имеют массу.

Выход из данной неудовлетворительной ситуации состоит в том. чтобы признать, что симметрия законов природы не обязательно должна отражаться в следствиях этих законов. Физики говорят, что «происходит нарушение симметрии». Необходимый теоретический аппарат был разработан в середине 1960-х гг. физиками Питером Хиггсом, Робертом Браутом, Франсуа Энглэ (Peter Higgs, Robert Brout, Francois Englert) и др. Идея пришла при рассмотрении, казалось бы постороннего явления сверхпроводимости — эффекта, при котором отдельные материалы при низких температурах проводят электрический ток с нулевым сопротивлением. Несмотря на то что законы самого электромагнетизма являются симметричными, поведение электромагнитного поля внутри сверхпроводящего материала несимметрично. Фотон внутри сверхпроводника приобретает массу, ограничивая таким образом проникновение магнитных полей в материал.

Как оказалось, данное явление — прекрасный образец для создания теории электрослабых взаимодействий. Если пространство заполнено веществом, аналогичным «сверхпроводнику», с той лишь разницей, что оно влияет не на электромагнетизм, а на слабое взаимодействие, то оно придает массу W- и Z - бозонам и ограничивает дальность слабых взаимодействий. Такой «сверхпроводник» состоит из частиц, называемых бозонами Хиггса. Кварки и лептоны также приобретают массу, взаимодействуя с этими бозонами, и остаются совместимыми с требованиями симметрии слабого взаимодействия, без предположения о массе, присущей им от природы.

Современная электрослабая теория (с бозонами Хиггса) с большой точностью описывает широкий диапазон экспериментальных результатов. Парадигма кварков и лептонов. образующих вещество и взаимодействующих посредством калибровочных бозонов, заставила ученых полностью пересмотреть свои взгляды на материю и указала на возможность объединения сильных, слабых и электромагнитных взаимодействий при сверхвысоких энергиях. Электрослабая теория — ошеломляющее концептуальное достижение, но на данный момент ее нельзя назвать полной. Она показывает, как кварки и лептоны могли бы приобрести свои массы, но не может предсказать, каковы должны быть эти массы. Кроме того, электрослабая теория не может вычислить и массу самого бозона Хиггса: существование этой частицы необходимо, но теория не предсказывает ее массу. Тем не менее многие из важнейших проблем физики элементарных частиц и космологии связаны с тем, как именно в точности нарушается симметрия электрослабого взаимодействия.

История Стандартной модели

Воодушевленные целым рядом многообещающих наблюдений в 1970-х гг., теоретики начали воспринимать Стандартную модель достаточно серьезно, чтобы исследовать ее пределы. К концу 1976 г. Бенджамин Ли (Benjamin W. Lee) из Национальной лаборатории ускорителей имени Ферми в Батавии, штат Иллинойс, Гарри Такер (Harry В. Thacker), ныне работающий в Университете штата Виргиния, и автор этой статьи предложили мысленный эксперимент, чтобы исследовать поведение сил электрослабого взаимодействия при сверхвысоких энергиях. Были смоделированы столкновения между парами W, Z и бозонами Хиггса, что могло бы показаться немного странным, поскольку ко времени проведения теоретических исследований ни одна из этих частиц еще не была обнаружена. Но физики привыкли проверять любую теорию и рассматривать выводы из нее, считая все элементы реальными.

В ходе проведения этого эксперимента ученые обратили внимание на слабую взаимосвязь между силами, создаваемыми бозонами Хиггса. При распространении этих вычислений на сверхвысокие энергии, проведенные расчеты имели смысл, если масса бозона Хиггса не была слишком большой, приблизительно меньшей, чем 1 ТэВ. Если бозон Хиггса легче, чем 1 ТэВ, слабые взаимодействия сохраняются, а теория надежно работает при всех энергиях. В том случае, когда частица Хиггса оказывается тяжелее, чем 1 ТэВ, слабые взаимодействия значительным образом усиливаются вблизи от этого масштаба энергий, что приводит к появлению необычных процессов, происходящих с этой частицей. Проведение подобного рода исследований очень важно, поскольку электрослабая теория непосредственно не предсказывает массу частицы Хиггса. Помимо всего прочего пороговое значение для массы этой частицы означает, что когда БАК превратит мысленный эксперимент в реальный, будет обнаружен либо сам бозон Хиггса, либо другие не менее интересные явления.

Возможно, что в проведенных экспериментах физики уже наблюдали неявное влияние частицы Хиггса. Этот эффект — одно из следствий принципа неопределенности, который подразумевает, что частицы типа бозона Хиггса могут существовать в течение настолько малого промежутка времени, что их невозможно наблюдать непосредственно, но при этом все же достаточно долго, чтобы немного повлиять на процессы, происходящие между другими частицами. Большой электрон-позитронный коллайдер в ЦЕРН, предыдущий «обитатель» туннеля, используемого теперь для БАК, обнаружил влияние такой «невидимой руки». Сравнение точных измерений с теорией настойчиво намекает, что частица Хиггса существует и имеет массу меньше, чем величина, приблизительно равная 192 ГэВ.

Ограничение массы частицы Хиггса величиной в 1 ТэВ порождает интересную загадку. В квантовой теории такие величины, как масса, не установлены раз и навсегда, но изменяются под влиянием квантовых эффектов. Так же, как бозон Хиггса может проявлять неявное влияние на другие частицы, эти частицы могут оказывать влияние на него. Такие частицы занимают широкий диапазон энергий, и их суммарное влияние зависит от того, где именно Стандартная модель уступает место более полной теории. Если модель остается верной вплоть до 10¹⁵ ГэВ, где сильное и электрослабое взаимодействия стремятся к объединению, частицы с истинно гигантскими энергиями воздействуют на бозон Хиггса и придают ему сравнительно высокую массу. Но тогда почему бозон Хиггса, по-видимому, имеет массу не больше 1 ТэВ?

Данный парадокс известен как проблема иерархии. Одна из возможных причин возникновения этого явления заключается в сомнительном балансе сложений и вычитаний больших чисел, отвечающих за противоположные вклады различных частиц. Физики научились с подозрением относиться к очень точным взаимным уничтожениям противоположных вкладов, которые не основаны на более глубоких принципах.

Теории, нуждающиеся в подтверждении

Ученые предложили много различных теорий для решения проблемы иерархии. Одной из основных является теория суперсимметрии, в которой предполагается, что каждая частица имеет пока еще не обнаруженного суперпартнера, отличающегося от своего двойника только спином. Если бы природа обладала свойством суперсимметрии, то массы частиц и суперпартнеров были бы идентичными, а их влияния на бозон Хиггса в точности уравновешивали бы друг друга. Тем не менее до настоящего времени физикам не удалось наблюдать эти частицы-двойники, что в случае существования суперсимметрии означало бы ее нарушение при малых энергиях, которые будут доступны на БАК.

Другой путь, названный «техниколор», предполагает, что бозон Хиггса не является истинно фундаментальной частицей, а состоит из пока еще не известных элементов. (Термин «техниколор» указывает на обобщение «цветового заряда» кварков, с помощью которого определяется сильное взаимодействие.)

В этом случае столкновения при энергиях,    приближенно   равных 1 ТэВ (энергия, связанная с силой, удерживающей элементы бозона Хиггса вместе), позволят заглянуть внутрь загадочной частицы и выявить ее сложную природу. Как и в теории суперсимметрии, модель «техниколора» предполагает, что с помощью БАК будет открыто большое количество новых частиц.

Третья, провокационная идея, заключается в том, что проблема иерархии при близком рассмотрении исчезает благодаря существованию дополнительных измерений в обычном окружающем нас трехмерном пространстве. Дополнительные измерения могли бы повлиять на то, как силы, изменяющиеся в соответствии с энергией, в конечном счете сливаются вместе. В этом случае подобное объединение, а значит и начало эры новой физики, могло бы происходить не при 10¹² ТэВ, а при намного более низких энергиях в несколько ТэВ, связанных с размером дополнительных измерений. Если это так, БАК даст возможность заглянуть в эти дополнительные измерения.

Возможности строящегося ускорителя дают шанс не только детально исследовать вопросы, связанные с частицей Хиггса. но и приоткрыть завесу, скрывающую загадочную темную материю, состоящую из частиц нового типа.

Если эти частицы взаимодействуют с силой, аналогичной слабому взаимодействию, а их масса лежит приблизительно между 100 ГэВ и 1 ТэВ, то Большой взрыв мог бы произвести такие частицы в необходимом количестве. Каким бы образом ни решилась проблема иерархии, БАК, вероятно, предложит кандидата на роль частиц темной материи.

На горизонте — революции

Открытие ТэВ-диапазона энергий означает появление нового мира в экспериментальной физике. Проведение полного анализа этого мира, где ожидается встреча с нарушением электрослабой симметрии, с проблемой иерархии и с темной материей — главный приоритет экспериментов на ускорителе. Цели этих исследований хорошо мотивированы и подготовлены благодаря экспериментальным данным, полученным предшественником БАК — коллайдером «Теватрон» в лаборатории им. Ферми. Ответы будут не только удовлетворять требованиям физики элементарных частиц, но и раскроют перед учеными новые горизонты окружающего мира.

Тем не менее как бы ни были важны упомянутые выше цели, это все еще не конец истории. БАК вполне мог бы помочь найти ключи к полному объединению сил или обнаружить признаки того, что массы частиц следуют некоторым рациональным принципам. Новые эксперименты по распаду уже известных частиц могут привести к открытию частиц, уникальных по своим свойствам. Возможно, приподняв завесу неизвестности над электрослабыми взаимодействиями, исследователи смогут увидеть эти проблемы в новом свете, что вдохновит их на постановку будущих экспериментов.

Для объяснения ядерных сил в 1935 г. физик Хидеки Юкава (Hideki Yukawa) предложил ввести новый вид частиц, которые позднее были открыты Сесилом Пауэллом (Cecil Powell), получившим за это Нобелевскую премию по физике в 1950 г. Частицы, названные пионами, были получены им при воздействии космических лучей на очень чувствительные фотографические эмульсии. Пауэлл позже вспоминал: «Когда они были возвращены и проявлены в Бристоле, стало очевидно, что перед нами открылся совершенно новый мир... Словно мы внезапно ворвались в окруженный стеной сад, где под надежной защитой росли небывалые виды деревьев и в изобилии созревали тысячи экзотических фруктов». Именно так ученые представляют себе первый взгляд на ТэВ-диапазон энергий.

Автор: Крис Квиг

Перевод: Б. А. Квасов

РЕШЕНИЕ ЗАГАДКИ ХИГГСА.

РАЗЫСКИВАЕТСЯ: НОВАЯ ФИЗИКА

Что бы ни заставило массу частицы Хиггса находиться в диапа­зоне около 1 ТэВ, причина должна лежать вне Стандартной модели. Теоретики выдвинули много воз­можных решений, но окончательный выбор остается за Большим адронным коллайдером. Ниже приведены три самых многообещающих теории

СУПЕРСИММЕТРИЯ

Увеличение массы частицы Хиггса вызвано его взаимодействием с так называемыми виртуальными частицами — копиями кварков, лептонов и другими, на короткий промежуток времени возникающими вокруг бозона Хиггса. Проблема заключается в том, что после объединения частицы с ее суперпартнером их действие будет скомпенсировано, и оно не повлияет на рост маccы частицы Хиггса

"ТЕХНИКОЛОР"

Теория, основанная на предполо­жении о составной структуре час­тицы Хиггса. Подобно протону, включающему в себя набор глюонов и кварков, частица Хиггса может оказаться не фундаментальной, и в этом случае ее масса должна складываться главным образом из энергий ее элементов и не быть столь уж чувствительной к высокоэнергетическим процессам

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ РАЗМЕРНОСТИ