Всё ещё неизвестная Вселенная. Мысли о физике, искусстве и кризисе науке - [48]
К середине 1970-х гг. работа экспериментаторов в этих лабораториях и теоретиков, использующих собранные данные, привела к появлению полной, а теперь еще и многократно проверенной теории частиц и взаимодействий, получившей название Стандартной модели. Согласно этой теории, существует несколько типов элементарных частиц. Есть сильно взаимодействующие кварки, из которых состоят протоны и нейтроны атомных ядер, а также большая часть новых частиц, открытых в 1950–1960-х гг. Есть слабо взаимодействующие частицы, названные лептонами, прообразом которых является электрон. Есть частицы, обмен которыми между кварками и лептонами приводит к различным типам взаимодействий. К этому типу переносящих взаимодействия частиц относятся: фотон, частица света, ответственная за электромагнитное взаимодействие; близкородственные частицы W и Z, отвечающие за слабое ядерное взаимодействие, благодаря которому кварки или лептоны одного вида могут превращаться в частицы другого вида; и безмассовые глюоны, посредством которых осуществляется сильное ядерное взаимодействие, удерживающее кварки внутри протонов и нейтронов.
Успех Стандартной модели, очевидно, не означает конца истории. Во-первых, значения массы кварков и лептонов в этой теории получаются из эксперимента, а не рассчитываются из первых принципов. Мы уже десятилетиями смотрим на список этих масс и чувствуем, что должны понять его, но пока он кажется бессмысленным. Это как если бы мы пытались прочитать надпись, сделанную на утерянном языке, например, с помощью линейного письма А[111]. Кроме того, некоторые ужасно интересные вещи не входят в Стандартную модель, например гравитация и темная материя, на которую, как говорят астрономы, приходится до 5/6 всей материи Вселенной.
Так что теперь мы ждем результатов от нового ускорителя в CERN, который, как мы надеемся, позволит сделать следующий шаг в развитии Стандартной модели. Речь идет о Большом адронном коллайдере. Он представляет собой подземный кольцевой туннель длиной 26,6 км на границе Швейцарии и Франции. В нем два пучка протонов разгоняются в противоположных направлениях до энергий, которые со временем достигнут 7 ТэВ в каждом пучке, а это примерно в 7500 раз больше энергии, сосредоточенной в массе протона. Пучки сталкиваются в нескольких специальных местах кольца, где установлены детекторы, имеющие массу военного крейсера времен Второй мировой войны. Детекторы предназначены для обнаружения различных частиц, образующихся в результате столкновений.
Некоторые из новых открытий, которые должны быть сделаны на БАК, мы ждем уже давно. Представленная в 1967–1968 гг. часть Стандартной модели, которая объединяет слабое и электромагнитное взаимодействия, основана на точной симметрии между этими взаимодействиями[112]. Переносящие слабое ядерное взаимодействие W- и Z-частицы и переносящие электромагнитное взаимодействие фотоны представлены в уравнениях теории в виде безмассовых частиц. Тем не менее хоть фотоны действительно не имеют массы, W- и Z-частицы на самом деле довольно тяжелые. Поэтому было сделано предположение, что эта симметрия между электромагнитным и слабым взаимодействиями нарушается, то есть, несмотря на строгую симметрию уравнений теории, она не проявляется в наблюдаемых частицах и взаимодействиях.
Первоначальная и все еще простейшая теория нарушения электрослабой симметрии, предложенная в 1967–1968 гг., вводит четыре новых поля, которые пронизывают Вселенную. Пучки энергии одного из этих полей должны проявляться в природе в виде массивной нестабильной электрически нейтральной частицы, которая получила название бозон Хиггса[113]. Все свойства бозона Хиггса, за исключением его массы, были предсказаны теорией электрослабого взаимодействия 1967–1968 гг., однако и до недавнего времени эту частицу не удавалось обнаружить. Именно поэтому на БАК ищут бозон Хиггса — если он будет найден, это подтвердит простейшую версию теории электрослабого взаимодействия. В декабре 2011 г. две группы исследователей намекнули, что на БАК удалось получить бозон Хиггса, масса которого в 133 раза больше массы протона, и после этого признаки бозона Хиггса с такой массой были выявлены при анализе более старых данных, полученных в Фермилаб. К концу 2012 г. мы будем знать, был ли действительно обнаружен бозон Хиггса[114].
Открытие бозона Хиггса будет приятным подтверждением существующей теории, однако оно не укажет нам направление, в котором следует двигаться для создания более полной теории. Как и в случае с Беватроном, мы можем надеяться, что самым захватывающим открытием, сделанном на БАК, будет нечто совершенно неожиданное. Как бы то ни было, сейчас сложно предполагать, как это может приблизить нас к окончательной теории, включающей и гравитацию. Так что в следующие 10 лет, вероятно, физики обратятся к своим правительствам за поддержкой независимо от того, зачем именно потребуются новые ускорители.
