Всё ещё неизвестная Вселенная. Мысли о физике, искусстве и кризисе науке

Не менее важно, что на БАК могут быть открыты еще более восхитительные вещи. К настоящему моменту астрономы нашли несколько независимых свидетельств, доказывающих, что примерно 5/6 всей массы Вселенной принадлежат некоторой экзотической темной материи, которая служит основным источником гравитации в галактиках и скоплениях галактик, но при этом слабо взаимодействует, если вообще взаимодействует, с обычной материей. Ни одна из частиц, входящих в современную Стандартную модель элементарных частиц (в том числе электрослабое и сильное ядерное взаимодействия), не обладает нужными свойствами, чтобы ее можно было считать частицей темной материи. Многие теоретики предлагают различные возможные обобщения Стандартной модели и кандидатов на роль частиц, из которых состоит темная материя.

Среди наиболее вероятных из этих кандидатов можно назвать вимпы — слабо взаимодействующие массивные частицы. Это частицы, которые по отдельности устойчивы или, по крайней мере, могут существовать в течение миллиардов лет, но при этом в парах они аннигилируют и их энергия превращается в обычные частицы. Идея состоит в том, что в условиях горячего плотного состояния ранней Вселенной эти частицы должны были непрерывно создаваться и аннигилировать в парах до тех пор, пока расширение Вселенной не разредило их настолько, что они перестали сталкиваться друг с другом. Мы могли бы рассчитать, сколько таких частиц могло бы просуществовать до нашего времени, если бы знали их массу и насколько легко они аннигилируют. Или, по-другому, если мы допустим, что из этих вимпов состоит темная материя, и сделаем разумное предположение о том, как они аннигилируют, тогда мы сможем рассчитать их массу. Так называемое вимп-чудо состоит в том, что значение массы этих частиц должно лежать в диапазоне от 10 до 100 масс протона, то есть в том диапазоне масс, частицы из которого могут быть получены на БАК. Так что эксперименты CERN могут рассказать нам, из чего сделана большая часть Вселенной.

13. Почему бозон Хиггса?

После объявления в 2012 г. об открытии бозона Хиггса меня попросили объяснить на страницах газеты The International Herald Tribune

, причину суеты. Статья, текст которой представлен в этой главе, появилась в редакторской рубрике в уик-энд 14–15 июля 2012 г. Другая моя статья на ту же тему вышла 16 августа 2012 г. в журнале The New York Review of Books.

В тексте я намеренно оставил открытым вопрос, действительно ли новая частица, обнаруженная в опытах CERN, является тем самым «бозоном Хиггса», существование которого было предсказано в 1967–1968 гг. теорией слабого и электромагнитного взаимодействий. Сегодня, после пяти лет продолжающихся экспериментов и исследований, в этом нет никаких сомнений. Измеренные значения скорости образования и скоростей различных вариантов распада согласуются с этой теорией.

Сообщение от 4 июля 2012 г. о том, что в лаборатории CERN в Женеве был получен «бозон Хиггса», стало мировой новостью. На следующий день The New York Times вынесла на первую полосу заголовок «Физики нашли неуловимую частицу, которая считается ключом ко Вселенной».

Почему столько шума? Время от времени в физике элементарных частиц происходили новые открытия, которые не привлекали столько внимания. Многие считают, что эта частица является важнейшим ключом к пониманию того, как все остальные элементарные частицы приобретают свои массы. Это верно, но нужно немного пояснить.

У нас есть хорошо проверенная теория элементарных частиц и взаимодействий между ними, известная как Стандартная модель. Центральной особенностью Стандартной модели является симметрия между двумя из описываемых ею типов взаимодействий — между электромагнитным и не столь широко известным слабым ядерным взаимодействием, которое обеспечивает первый этап в цепочке реакций, дающих Солнцу его энергию. Симметрия означает, что частицы, переносящие это взаимодействие, фигурируют в уравнениях теории совершенно одинаково. Можно заменить частицу света фотон, переносящую электромагнитное взаимодействие, на некоторую комбинацию W- и Z-частиц, которые переносят слабое взаимодействие, и уравнения сохранят свою форму.

Если бы не было факторов, нарушающих эту симметрию, тогда W- и Z-частицы, как и фотон, не имели бы массы. В действительности же все другие элементарные частицы также были бы безмассовыми по причинам, в детали которых я не могу здесь вдаваться. Однако, конечно, большинство элементарных частиц имеют массу. Например, в отличие от безмассового фотона, W- и Z-частицы почти в 100 раз тяжелее атома водорода.