Может ли крошечная квантовая флуктуация однажды уничтожить Вселенную? Физик Кейт Шоу, работающая на эксперименте ATLAS в ЦЕРН, объясняет, как самая тяжелая фундаментальная частица — топ-кварк — в сочетании с бозоном Хиггса определяет, живем ли мы в стабильном мире или находимся на краю энергетической пропасти.
🔬 Внутри эксперимента ATLAS и Большого адронного коллайдера 0:18
Кейт Шоу начала свое выступление с описания масштабов Большого адронного коллайдера (БАК). Это гигантское кольцо протяженностью 27 километров, расположенное на границе Швейцарии и Франции . Внутри него ученые разгоняют протоны — крошечные частицы размером около $0,8 \times 10^{-15}$ метра — до скоростей, вплотную приближающихся к скорости света .
Ключевые факты об устройстве БАК:
-
Протоны совершают около 11 000 полных оборотов по кольцу каждую секунду .
-
Внутри установки происходят миллиарды столкновений в секунду .
-
Для управления пучками используются сверхпроводящие магниты, охлажденные до 1,9 Кельвина (около -271°C) .
-
По словам Кейт Шоу, это делает БАК одним из самых холодных мест во Вселенной, так как температура открытого космоса выше и составляет около 2,7 Кельвина .
Цель этих столкновений, по мнению спикера, заключается не просто в том, чтобы «разбить» частицы и посмотреть, что внутри, а в возможности превратить чистую энергию в материю. Шоу использует аналогию: «Это как если бы вы столкнули два апельсина, а из них вылетели бананы» . При аннигиляции протонов могут рождаться новые частицы, существовавшие в первые мгновения после Большого взрыва: бозоны Хиггса, топ-кварки или мюоны .
🧱 От таблицы Менделеева к кваркам: эволюция физики частиц 5:31
Кейт Шоу провела исторический экскурс, начав с конца XIX века, когда Дмитрий Менделеев систематизировал химические элементы . Постепенно ученые поняли, что свойства элементов зависят от атомного номера — количества протонов в ядре .
История открытий внутри атома:
-
В 1897 году Дж. Дж. Томпсон открыл электрон и предложил модель «пудинга с изюмом» .
-
Эрнест Резерфорд опроверг эту модель своим знаменитым экспериментом с золотой фольгой, доказав наличие плотного положительно заряженного ядра .
-
К середине XX века казалось, что мир прост и состоит из электронов, протонов, нейтронов и фотонов .
Однако с развитием ускорителей физики столкнулись с «частичным зоопарком» — лавиной новых частиц (мезонов, гиперонов и других), что вызывало недоумение у исследователей. По словам Кейт Шоу, один из ученых того времени в шутку спросил: «Кто это заказывал?», когда был открыт мюон .
Ситуацию спас Мюррей Гелл-Манн, предложивший в 1960-х годах модель кварков . Выяснилось, что протоны и нейтроны не являются фундаментальными, а состоят из кварков:
- Протон содержит два u-кварка (up) и один d-кварк (down) .
- Нейтрон состоит из двух d-кварков и одного u-кварка .
- Заряды кварков дробные (+2/3 или -1/3), что Шоу называет удивительным фактом, который до сих пор не имеет глубокого теоретического объяснения .
⛓️ Сильное взаимодействие и «хлопушки» из частиц 15:10
Одной из самых сложных тем в физике Шоу называет квантовую хромодинамику — теорию сильного взаимодействия. Кварки связаны между собой глюонами . В отличие от гравитации или электромагнетизма, сила связи между кварками не уменьшается с расстоянием, а растет .
Кейт Шоу сравнивает глюонную связь с пружиной:
-
Пока кварки близко друг к другу внутри протона, они ведут себя почти как свободные частицы .
-
Если попытаться вырвать кварк из протона, «пружина» натягивается, пока не разорвется.
-
В момент разрыва накопленная энергия тратится на создание новых пар частица-античастица из вакуума .
Для иллюстрации этого процесса (адронизации) Шоу использовала в аудитории бумажные хлопушки . Когда хлопушка срабатывает, она выбрасывает струю конфетти — так же и в коллайдере одиночный кварк мгновенно превращается в узкий конус частиц, называемый «адронной струей» (jet) .
🏔️ Топ-кварк: тяжеловес микромира 25:05
Топ-кварк (t-кварк), обнаруженный в 1995 году на ускорителе Тэватрон в США, является самой тяжелой из известных фундаментальных частиц .
Его характеристики поражают:
-
Масса топ-кварка составляет около 173 ГэВ — он в 173 раза тяжелее целого протона .
-
Время жизни топ-кварка настолько мало, что он распадается еще до того, как успевает сформировать струю (адронизироваться) .
-
Это позволяет физикам изучать «голый» кварк практически напрямую через продукты его распада, что невозможно с другими кварками .
Кейт Шоу отмечает, что именно точность измерения массы топ-кварка критически важна для предсказания свойств других частиц, включая бозон Хиггса . Например, благодаря данным о топ-кварке, ученые смогли сузить диапазон поиска бозона Хиггса еще до его открытия в 2012 году .
🌊 Поле Хиггса и судьба Вселенной 31:13
Спикер переходит к главной интриге: почему сочетание масс топ-кварка и бозона Хиггса угрожает стабильности космоса. Поле Хиггса пронизывает всю Вселенную и дает частицам массу . Шоу сравнивает его с сиропом: частицы, которые сильно взаимодействуют с этим полем (как топ-кварк), становятся тяжелыми, а те, что не взаимодействуют (как фотон), остаются безмассовыми и летят со скоростью света .
Концепция стабильности Вселенной завязана на форме потенциала поля Хиггса (известного как «мексиканская шляпа») . Кейт Шоу объясняет это через аналогию с шариком в ландшафте:
-
Вселенная стремится к минимуму энергии (самой глубокой долине) .
-
В начале времен произошел спонтанный симметрии, и поле Хиггса «скатилось» в долину, где оно имеет ненулевое значение .
-
Однако расчеты показывают, что наша нынешняя «долина» может оказаться не самой глубокой .
По мнению физиков, мы можем находиться в состоянии метастабильности . Это означает, что существует еще более глубокий энергетический минимум («истинный вакуум»). Согласно законам квантовой механики, существует вероятность квантового туннелирования: наше поле Хиггса может внезапно «просочиться» сквозь энергетический барьер в это более низкое состояние .
Если это произойдет, возникнет пузырь истинного вакуума, который начнет расширяться со скоростью света, уничтожая всё на своем пути, так как законы физики (и массы частиц) внутри него изменятся . На графике зависимости массы Хиггса от массы топ-кварка текущие данные помещают нас как раз на границу стабильной и метастабильной зон .
🏗️ Будущее: FCC и поиск ответов 41:07
Кейт Шоу завершила лекцию оптимистично. По её мнению, предсказание метастабильности, скорее всего, свидетельствует о неполноте Стандартной модели, а не о реальной угрозе . Чтобы выяснить правду, ЦЕРН планирует строительство нового гигантского ускорителя — Future Circular Collider (FCC) .
Планы на будущее:
-
Длина кольца FCC составит 100 километров (в сравнении с 27 км у БАК) .
-
Он будет расположен на глубине около 200 метров под землей .
-
Установка позволит изучать взаимодействие бозонов Хиггса друг с другом и искать частицы темной материи .
По словам Шоу, открытие любой новой тяжелой частицы может изменить наши уравнения и показать, что Вселенная на самом деле абсолютно стабильна . FCC станет инструментом для решения фундаментальных загадок: природы темной энергии, преобладания материи над антиматерией и квантового описания гравитации .
