Исследования на Большом адронном коллайдере (БАК) открыли новую эру в понимании микромира, однако современная физика элементарных частиц оказалась на распутье из-за отсутствия очевидных теоретических подсказок. В интервью для канала Event Horizon физик из CERN Джеймс Бичем рассказал о переходе от «охоты за частицами» к кропотливой научной картографии, перспективах раскрытия природы темной материи и радикальных проектах мегаускорителей будущего. По словам исследователя, для достижения фундаментальной Планковской энергии человечеству в будущем может потребоваться демонтаж целой планеты — Меркурия — ради создания сверхмощного коллайдера вокруг Солнца.
🔬 Большой адронный коллайдер и наследие бозона Хиггса 1:04
Большой адронный коллайдер (БАК) представляет собой самый масштабный научный эксперимент в истории человечества. Он расположен в кольцевом туннеле протяженностью 27 километров на границе Франции и Швейцарии на глубине около 100 метров под землей. Для управления пучками частиц инженеры используют сверхпроводящие магниты, которые охлаждаются до температур, превышающих по своей суровости холод открытого космоса. Внутри этого контура два пучка протонов разгоняются в противоположных направлениях до скорости, составляющей 99,9999991% от скорости света, после чего их траектории скрещиваются в четырех точках столкновения.
Физический смысл этих столкновений заключается во кратковременном воссоздании условий, которые доминировали во Вселенной спустя крошечную долю секунды после Большого взрыва, произошедшего 13,8 миллиарда лет назад. Джеймс Бичем приводит аналогию с домашним морским аквариумом: человек не создает новый океан у себя в комнате, но моделирует его ключевые параметры в контролируемой среде. Изучение этих процессов помогает пролить свет на фундаментальные пробелы в современном знании о космосе.
В числе главных космологических вопросов, на которые ученые пытаются найти ответ:
- Что именно представляет собой загадочная темная материя?
- Почему наблюдаемая Вселенная состоит исключительно из материи, тогда как симметрия предписывает равное количество антиматерии?
- По какой причине гравитация демонстрирует колоссальную слабость по сравнению с тремя другими фундаментальными силами природы?
Главным успехом БАК на сегодняшний день остается открытие бозона Хиггса, объявленное 4 июля 2012 года на основе независимых данных экспериментов ATLAS и CMS. Существование этой частицы было предсказано еще в 1960-х годах Питером Хиггсом и группой других теоретиков, однако тогда их гипотеза казалась коллегам искусственной.
История физики знает примеры избыточной самоуверенности: в конце XIX века на лекции в Чикагском университете один из выдающихся ученых утверждал, что все базовые принципы науки уже открыты, а потомкам осталось лишь уточнять детали. Этот миф был полностью разрушен Альбертом Эйнштейном в 1905 и 1915 годах, а также последующим развитием квантовой механики. Итогом бурного XX века стало формирование Стандартной модели физики элементарных частиц. Математический аппарат этой теории работает с поразительной точностью, подтверждая знаменитый тезис Юджина Вигнера о «непостижимой эффективности математики».
До предсказания скалярного поля ученые зашли в тупик, пытаясь объяснить механизмы работы переносчиков слабого взаимодействия — W- и Z-бозонов. Проблема решилась, когда физики ввели в уравнения гипотетическое скалярное поле, принимающее числовое значение в любой точке пространства. В отличие от привычных векторных полей (например, электрического), скалярное поле не имеет направления и напоминает невидимое желе, пронизывающее Вселенную.
Понимание массы на квантовом уровне в корне отличается от повседневных макроскопических представлений. Такие элементарные частицы, как электроны, мюоны и кварки, моделируются как точки с нулевым объемом, но при этом они обладают измеримым электрическим зарядом, спином и массой. Масса каждого электрона неизменна в любой точке космоса, будь то человеческая ладонь или Альфа Центавра.
Согласно формуле Эйнштейна $E=mc^2$, в квантовом мире существует строгий эквивалент между энергией движения и массой покоя. Если кинетическая энергия сталкивающихся пучков высока, при их взаимодействии рождаются новые тяжелые нестабильные частицы. В 1970-х годах теоретики Джон Эллис и Мэри К. Гайар опубликовали феноменологическую работу, где извинялись перед экспериментаторами за то, что понятия не имеют о массе бозона Хиггса, и призывали не строить ради его поисков слишком большие ускорители. Тем не менее, последующие поиски на электрон-позитронном коллайдере LEP подошли близко к открытию. Будучи аспирантом в 2009 году, Джеймс Бичем лично изучал архивные данные LEP и имел теоретический шанс совершить открытие раньше запуска БАК.
Обнаружение бозона Хиггса доказало реальность самого поля Хиггса. Элементарные частицы движутся сквозь это невидимое всепроникающее «желе», испытывая сопротивление, которое физики фиксируют как массу. По мнению Джеймса Бичема, фиксация первого фундаментального скалярного поля в истории науки полностью изменила правила игры в физике.
🌌 Карта вместо охоты: новый подход к поискам темной материи 18:55
Экспериментальное подтверждение существования бозона Хиггса, по мнению Джеймса Бичема, парадоксальным образом сослужило его научной области плохую службу. У общественности сложилось неверное впечатление, что прямая обязанность исследователей заключается исключительно в штамповке регулярных громких открытий новых частиц. Физик подчеркивает, что реальная задача экспериментатора — планомерно исключать участки данных, где потенциально может скрываться аномалия, что превращает физиков из «охотников» в «картографов» микромира.
Факт существования во Вселенной скрытой массы подтверждается прямыми эмпирическими наблюдениями: гравитационными эффектами, аномалиями кривых вращения галактик и феноменом гравитационного линзирования при столкновении галактических кластеров. Ссылаясь на авторитет своего покойного коллеги Стивена Вайнберга, Джеймс Бичем напоминает важный методологический урок: простота никогда не являлась и не является легитимным научным принципом.
Исторически наиболее популярным кандидатом на роль темной материи считался вимп (WIMP) — гипотетическая слабовзаимодействующая массивная частица. Расчеты показывали, что если ее масса лежит в диапазоне, доступном для современных детекторов, это идеально объясняет наблюдаемую плотность вещества во Вселенной. Данное совпадение получило название «WIMP-чудо».
Для прямой регистрации вимпов ученые используют подземные резервуары, заполненные жидким ксеноном, изолированные толщей скал от космических лучей. Согласно расчетам, если темная материя реальна, сквозь тело каждого человека ежесекундно на огромной скорости пролетает около миллиарда таких частиц, не оставляя следов, поскольку человеческий организм — плохой детектор. Отсутствие сигналов на ксеноновых датчиках в течение года означает лишь то, что интенсивность взаимодействия вимпов с обычной материей чрезвычайно мала, и ученым требуются более масштабные мишени и длительные сроки экспозиции.
На БАК поиск ведется по иному принципу. Протоны сталкиваются с частотой 40 миллионов раз в секунду на протяжении месяцев и лет. Рождение искомых объектов — крайне редкое событие. Например, за целый год непрерывной работы БАК производит всего несколько десятков тысяч бозонов Хиггса.
Джеймс Бичем считает, что концепция вимпов сейчас находится в кризисе из-за отсутствия сигналов на протяжении десятилетий. По мнению физика, Темный сектор Вселенной устроен гораздо сложнее, чем одна-единственная изолированная частица. Обычное вещество, составляющее лишь малую долю космоса, демонстрирует невероятное разнообразие и описывается сложной калибровочной группой $SU(3) \times SU(2) \times U(1)$ Стандартной модели. Ученый задается вопросом: на каком основании люди предполагают, что субстанция, которой во Вселенной в шесть раз больше, должна быть абсолютно примитивной?
Если Темный сектор взаимодействует с нашим миром только посредством гравитации, ученые окажутся в тупике, поскольку гравитационные силы слишком слабы для прецизионных измерений на уровне единичных квантов. Физики вынуждены предполагать наличие иных каналов связи — частиц-медиаторов, осуществляющих обмен между секторами. По аналогии с тем, как электромагнитное взаимодействие переносится фотонами, связь с Темным сектором может осуществляться через гипотетические «темные фотоны» или «темные Z-бозоны».
На текущий момент БАК собрал лишь от 5% до 10% от общего объема данных, который запланирован к сбору за всю историю проекта. Впереди у исследователей еще 15–20 лет работы. Если природа скрывает суперсимметричные частицы, экзотические бозоны Хиггса или темные фотоны, они имеют все шансы проявиться по мере роста статистики.
Возможности нынешнего ускорителя не безграничны из-за логарифмического характера накопления результатов. Продление работы БАК на 10 лет не даст существенного прироста энергии, в то время как качественный скачок требует принципиально новой инфраструктуры. Ответом на этот вызов выступает проект Будущего циклического коллайдера (FCC) протяженностью 100 километров вокруг Женевы, способного поднять энергию столкновений в 7 раз. Однако Джеймс Бичем предупреждает: на этих масштабах нет никаких теоретических гарантий стопроцентного обнаружения новой физики.
🚀 Мегапроекты будущего: от коллайдера на Луне до демонтажа Меркурия 34:54
Главное отличие нынешней эпохи в физике от благополучного XX века заключается в полном отсутствии каких-либо явных подсказок и ориентиров. Перед запуском БАК ученые могли математически триангулировать вероятную массу бозона Хиггса, опираясь на параметры топ-кварка и электрослабых взаимодействий. Реальное значение массы в 125 ГэВ оказалось в пределах этих предсказаний. Сегодня же физики находятся в ситуации абсолютной неопределенности, что требует возвращения к подлинному духу слепого экспериментального поиска.
Следующим гарантированным рубежом, где законы современной физики неизбежно изменятся, является Планковская энергия. На этом уровне квантовые эффекты начинают напрямую пересекаться с суперслабой в макромире гравитацией. Финдаментальные мировые константы — постоянная Планка $\hbar$, гравитационная постоянная $G$, скорость света $c$ и заряд электрона $e$ — даны нам природой без априорных объяснений. Единственный способ проверить жизнеспособность теорий квантовой гравитации (например, теории струн) — создать условия Планковского масштаба.
Планковская энергия составляет огромные $10^{16}$ ТэВ, что на 16 порядков превосходит возможности БАК с его 13 ТэВ. Согласно классическим оценкам, линейное масштабирование существующих технологий потребовало бы построить ускоритель размером с орбиту планеты Нептун.
В качестве промежуточного шага Джеймс Бичем и специалист по ускорительной физике Франк Циммерман опубликовали детальное исследование проекта Циклического коллайдера на Луне (CCM). Ускорительное кольцо предлагается проложить по окружности спутника, что обеспечит тысячекратный прирост энергии по сравнению с БАК. С инженерной точки зрения проект не содержит неразрешимых фундаментальных противоречий, а необходимые технологии будут освоены в ближайшие десятилетия.
Помимо чистой науки, лунный коллайдер, по мнению Бичема, несет важную экзистенциальную функцию. Физик выражает серьезную обеспокоенность тем, что освоение Луны и Марса сегодня фактически отдается на откуп частным корпорациям и сверхбогатым индивидам, нацеленным исключительно на извлечение прибыли и коммерческую эксплуатацию ресурсов. Такой подход на Земле уже спровоцировал глобальный климатический кризис. Реализация на Луне гигантских проектов международного значения (таких как коллайдер CCM или радиотелескопы на обратной стороне) призвана закрепить статус космоса как достояния всего человечества. Строительство лунного кольца может быть реализовано в ближайшие 150 лет.
Что касается достижения истинного Планковского масштаба, новые расчеты Бичема и Циммермана, готовящиеся к публикации, содержат сенсационный вывод: строить кольцо размером с Солнечную систему не нужно. Достаточно создать коллайдер вокруг Солнца радиусом всего в 1/10 расстояния от Земли до нашей звезды.
Инвестиционные идеи для таких конструкций порой приходят из неожиданных сфер. Рассказывая о своих публичных выступлениях, Бичем упоминает инвестора в добычу сырья на астероидах, который предложил использовать материалы самих небесных тел прямо в космическом пространстве для сборки конструкций. Развивая эту мысль в своей новой научной работе, Бичем и Циммерман рассматривают сценарий полного демонтажа планеты Меркурий. Вещество планеты предлагается переработать и пересобрать в идеальное орбитальное кольцо вокруг Солнца.
Физик подчеркивает, что этот проект не разрушит стабильность нашей планетной системы. Бичем специально проконсультировался со своим коллегой, экспертом по небесной механике Константином Батыгиным из Калифорнийского технологического института. Астрофизик подтвердил, что ликвидация Меркурия не окажет сколько-нибудь заметного дестабилизирующего влияния на орбиты остальных планет. Проект позволит человечеству в долгосрочной перспективе вплотную подойти к раскрытию тайн квантовой гравитации и механизмов создания микроскопических черных дыр.
