Большой адронный коллайдер: какие открытия он принес и чего ждать от перезапуска?
Что делает БАК?
На первый взгляд 27-километровый кольцевой туннель под землей — довольно скучное место. Любителям эффектных зрелищ, вроде облачного гриба над ядерным полигоном или голубоватого свечения Вавилова — Черенкова в реакторе, здесь делать нечего. Все самое интересное происходит в наглухо запаянных трубах.
И все же можно сказать без преувеличения, что это место с самыми экстремальными условиями на Земле. А в чем-то и во всей Солнечной системе. Например, в 2012 году в БАК удалось достичь рекордной температуры в 5,5 трлн градусов (в 350 тыс. раз горячее, чем на Солнце). А плотность получившегося вещества была больше, чем у нейтронной звезды.
По своей функции коллайдер близок к микроскопу. А в чем-то он даже похож на машину времени. Мельчайшие частицы, из которых состоит мир, нельзя увидеть или пощупать. Некоторые из них вообще живут йоктосекунды (10 в −24-й cтепени секунды) и образуются только в экстремальных условиях (какие существовали, например, при рождении Вселенной).
Чтобы смоделировать эти условия, ученые ускоряют пучки элементарных частиц до околосветовых скоростей и сталкивают их. Материя макромира (молекулы и физические тела) в таких условиях распадается, но для микромира начинается самое интересное.
Зачем это нужно?
В самом общем смысле — чтобы понять, как все устроено. Ученые используют теоретические модели, чтобы искать объяснение природным феноменам, прогнозировать события и создавать новые технологии. Но в любой модели есть и белые пятна, и противоречия.
Десятки лет назад физики сформулировали положения Стандартной модели, в которой все основные процессы подчинялись четырем силам: слабой, сильной, электромагнитной и гравитационной. Скажем, без слабого взаимодействия не происходило бы термоядерных реакций, Солнце бы не светило и жизнь была бы невозможна.
Уравнения Стандартной модели можно сравнить с чертежом огромной башни. Мы смотрим на него и представляем, как башня стоит, как в ней живут люди и как она ведет себя в разных погодных условиях. Но это только теория. При строительстве материалы могут повести себя иначе. Из-за ошибки в проектировании такая постройка, возможно, никогда бы не смогла существовать.
Стандартная модель позволяет теоретически предсказывать свойства тысяч различных процессов в мире элементарных частиц. И чаще всего эти предсказания подтверждаются экспериментом. Но иногда предсказания расходятся с полученными данными. А иногда над подтверждением давно сформулированной гипотезы приходится биться годами. Одна из таких гипотез связана с бозоном Хиггса.
Почему открытие бозона Хиггса стало событием?
Бозон Хиггса, который журналисты окрестили “частицей Бога”, — пожалуй, самая знаменитая из всех частиц, обнаруженных детекторами БАК. Его открытие было одной из главных целей строительства всего сооружения. И она в итоге была достигнута в 2012 году. Но почему он так важен?
Согласно Стандартной модели, все элементарные частицы делятся на фермионы, из которых состоит материя, и бозоны, которые обеспечивают взаимодействия между фермионами. Без бозонов нейтроны, протоны и электроны просто летали бы по Вселенной, не образуя атомов.
Другая важная составляющая теории — симметрия. Она определяет поведение частиц и действие сил, которые на них влияют. Например, электромагнитное и слабое взаимодействия благодаря симметрии действуют как проявления одной и той же силы — электрослабой. Но эта красивая в теории идея могла работать только в том случае, если бы у частиц не было массы.
Как считается, в ранней Вселенной частицы были безмассовыми, и симметрия соблюдалась. Но затем симметрия стала самопроизвольно нарушаться. Одни частицы при этом вели себя как массивные, а другие — как безмассовые. С этим процессом и была связана одна из главных загадок Стандартной модели: почему происходят спонтанные нарушения симметрии.
Физик Питер Хиггс предположил, что масса частиц возникает под действием особого поля. В современном представлении частицы — это не шарики, а колеблющиеся “кусочки” (кванты) поля. Например, электроны — это колебания электронного поля, а фотоны — электромагнитного. Бозон Хиггса — тоже квант. Некоторые частицы, проходя через хиггсовское поле, “цепляются” за него и обретают массу.
Бозон Хиггса был последним недостающим элементом в Стандартной модели. Если бы его не нашли, пришлось бы искать другие объяснения того, почему нарушается симметрия. Впрочем, сам хиггсовский механизм тоже не до конца понятен, и поэтому сама Стандартная модель — лишь частный случай более общей теории, которая пока не создана.
Как проводят эксперименты на коллайдере?
На самом деле, конечно, БАК был построен не только ради одного бозона. В экспериментах проводятся сразу десятки и сотни параллельных экспериментов.
Изучение конкретного процесса на современном ускорителе выглядит примерно так. Ускоритель работает на протяжении 10–20 лет, по несколько месяцев в году. В остальное время его инспектируют, чинят, модернизируют. В течение всего этого времени регулярно, с частотой в миллионы раз в секунду, сталкиваются сгустки частиц.
Кстати, сгусток (bunch) и пучок (beam) частиц — не одно и то же. Частицы в кольцевом ускорителе летают, удерживаемые магнитным полем, вдоль одной и той же орбиты. Весь этот поток частиц образует пучок — точнее, два встречных пучка, которые движутся по двум разным пересекающимся орбитам. Но этот пучок не сплошной, а разбит на компактные кучки — сгустки, — следующие друг за другом на одинаковом расстоянии.
В результате в точке пересечения двух встречных пучков частицы сталкиваются не непрерывно, а через строго определенные промежутки времени; а вокруг этой точки стоят многослойные детекторы элементарных частиц, которые пытаются уловить все, что рождается в столкновениях.
Но особенность квантового мира в том, что в нем происходят все процессы, которые в принципе могут произойти — только с разной вероятностью. Поэтому, чтобы заметить какой-то очень редкий процесс, надо повторить столкновение в одинаковых условиях много раз. И задача ученых в том, чтобы услышать среди “шума” информации нужный им сигнал.
Например, рождение бозона Хиггса — не слишком редкое явление. Но его трудно уловить среди других осколков от столкновения протонов. Поэтому ученые искали признаки частицы, которая ведет себя именно как хиггсовский бозон: рождается в нужных условиях, распадается на определенные частицы и влияет на другие частицы именно так, как и положено бозону Хиггса.
Что еще было открыто на БАК?
В основном опыты позволили понять, что происходит в частных случаях Стандартной модели, при очень экзотических условиях. Например, изучить свойства кварк-глюонной плазмы — состояния вещества, которое достигается при очень высоких энергиях (и, как считается, заполняло Вселенную в первые мгновения ее жизни).
Кроме того, эксперименты помогли лучше понять устройство элементарных частиц. Так, в 2015 году физики получили пентакварки — частицы, состоящие из пяти кварков вместо обычных двух (мезоны) или трех (барионы). Кварки — это строительные блоки, из которых состоят все известные нам элементарные частицы. Их существование еще в 90-х годах предположили ученые из Петербургского института ядерной физики, но получить их экспериментально не удавалось.
Выяснение того, как на самом деле устроены пентакварки, являются они составными или цельными, поможет лучше понять принципы устройства материи. Это приближает ученых к решению фундаментальной загадки: почему в природе не существует стабильных многокварковых частиц. Очевидной причины, по которой нельзя было бы сформировать аналог протона — скажем, из шести кварков, — теоретики назвать пока не могут.
Чего нам ждать теперь?
До сих пор результаты экспериментов на БАК укладывались в Стандартную модель. Однако у нее есть ограничения.
Данные некоторых экспериментов уже дали результаты, которые невозможно объяснить Стандартной моделью. Например, модель предсказывала, что так называемые красивые кварки должны с одинаковой вероятностью распадаться на электроны и мюоны. Но оказалось, что это происходит только в 85% случаев. Ученые предполагают, что здесь действует неизвестный фактор. Возможно, какой-то новый вид фундаментальных взаимодействий.
Еще одна большая загадка — существование суперсимметрии. Сторонники теории Великого объединения считают, что различные фундаментальные взаимодействия — это проявления одного, более общего, взаимодействия. Оно должно проявляться только при энергиях, во много раз превосходящих возможности современных ускорителей. Но анализ экспериментальных результатов все равно может дать некоторые подсказки.
С помощью БАК физики хотят создать условия, подобные тем, что существовали в ранней Вселенной. Если теория верна, во время таких экспериментов должны возникнуть особые суперсимметричные частицы (например, фотино — супер-партнер фотона). После модернизации мощность коллайдера может вырасти в десять раз. А это значит, что шансы получить такое событие возрастают.
Возможно, обнаружение суперсимметричных частиц поможет понять и природу темной материи. Это материя, которая не испускает электромагнитного излучения, но влияет на движение планет, звезд, галактик, скоплений галактик. Темной материи в четыре раза больше, чем обычной, но Стандартная модель ее просто не учитывает. Частицы суперпартнеров как раз и могут быть потенциальными кандидатами на роль элементов темной материи.
Источник: nauka.tass.ru
