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

В 1959 г. я стал научным сотрудником Радиационной лаборатории в Беркли. В то время Университет в Беркли располагал самым мощным в мире ускорителем, Беватроном, который занимал целое большое здание на холме, возвышавшемся над кампусом. Беватрон был разработан специально для ускорения протонов до энергий, достаточных для создания антипротонов, и получение антипротонов ни для кого не стало сюрпризом. Удивительным было то, что вместе с антипротонами также были получены сотни типов новых крайне нестабильных частиц. Этих новых типов частиц оказалось так много, что возникло сомнение, можно ли считать их элементарными и действительно ли мы понимаем, что такое элементарная частица. Все это сильно сбивало с толку, но и вдохновляло тоже.

После 10 лет работы на Беватроне стало понятно, что для осмысления полученных результатов потребуется новое поколение ускорителей частиц высоких энергий. Эти новые ускорители должны быть огромными, а потому их невозможно разместить в лаборатории на холмах Беркли. Кроме того, многие из них потребуют большой команды исследователей и уже не смогут управляться силами одного университета. Однако если для Беркли это был кризисный момент, то для физики — нет. Новые ускорители были построены в лаборатории Фермилаб[110]

в пригороде Чикаго, в CERN недалеко от Женевы и в других лабораториях США и Европы. Ускорители были слишком большими, их невозможно было разместить в здании, поэтому теперь они стали атрибутами ландшафта. Длина нового ускорителя в Фермилаб достигала почти 6,5 км. На территории восстановленных прерий Иллинойса, где расположен ускоритель, пасется стадо бизонов.

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.