4 июля 2012 года исследователи CERN подтвердили существование бозона Хиггса, завершив формирование Стандартной модели физики элементарных частиц. Физики Нима Аркани-Хамед, Моника Данфорд и Джо Ликкен обсудили на World Science Festival, почему это открытие поставило науку в тупик и какие мега-установки потребуются для решения новых загадок.
🧬 От демокритовских атомов к квантовым полям 8:30
История поиска фундаментальных кирпичиков материи началась с идеи Демокрита об атомах, однако Нима Аркани-Хамед считает его вклад переоцененным из-за отсутствия доказательной базы в древности . Реальный прогресс начался в середине XIX века, когда химики получили косвенные подтверждения существования атомов . Современная физика прошла путь от изучения ядра, которое в миллион раз меньше атома, до исследования протонов и нейтронов размером 10 в минус 14-й степени сантиметра .
Сегодня Большой адронный коллайдер (LHC) позволяет изучать структуры, которые в тысячу раз меньше атомного ядра . Моника Данфорд описывает работу экспериментатора как процесс трансформации энергии в массу по формуле Эйнштейна $E=mc^2$. Она называет энергию «валютой», за которую физики «покупают» возможность создавать тяжелые, редкие частицы, подобные Ferrari в мире материи .
Детектор Atlas, на котором работает Моника Данфорд, представляет собой пятиэтажное здание, напичканное электроникой . Установка делает снимки столкновений каждые 25 наносекунд, создавая поток данных частотой 40 МГц . Из-за колоссального объема информации система триггеров должна за микросекунды решать, какие события записывать, а какие безвозвратно удалять .
🧱 Стандартная модель и проблема массы 17:48
Джо Ликкен разделяет все известные частицы на два типа: фермионы (материя) и бозоны (переносчики сил) .
- Фермионы: электроны, нейтрино и кварки (из верхних и нижних кварков состоят протоны и нейтроны) .
- Бозоны: фотоны (электромагнетизм), глюоны (сильное взаимодействие), W- и Z-бозоны (слабое взаимодействие) .
Математическая сложность возникла при попытке объяснить наличие массы у этих частиц. Нима Аркани-Хамед объясняет это через концепцию спина: безмассовые частицы (как фотон) имеют две степени свободы (направления спина), а массивные — три . Математика не позволяет массе быть «небольшой поправкой»; переход от двух к трем степеням свободы требует фундаментально нового механизма .
Питер Хиггс в 1960-х годах предположил, что всё пространство заполнено невидимым полем — «космической патокой» . Частицы приобретают массу, взаимодействуя с этим полем. Бозон Хиггса — это «дребезг» или квант этого поля, который удалось выбить при столкновении протонов .
💎 Симметрия как навигатор в физике 40:00
Симметрия позволяет упаковать сложные уравнения Стандартной модели в простые принципы, которые можно уместить на кофейной чашке . Нима Аркани-Хамед утверждает, что свойства частиц почти полностью диктуются законами относительности и квантовой механики .
Суперсимметрия (SUSY) — это теоретическое расширение, связывающее фермионы и бозоны . Она предсказывает существование «суперпартнеров» для каждой известной частицы:
- Селектоны (партнеры электронов);
- Фотино (партнеры фотонов).
Джо Ликкен отмечает, что суперсимметрия математически элегантно решает проблему стабильности массы бозона Хиггса . Без дополнительных механизмов взаимодействия с виртуальными частицами должны были бы сделать бозон Хиггса в триллионы раз тяжелее, чем он есть на самом деле . Это сравнивают с карандашом, стоящим на острие: физические законы это позволяют, но для устойчивости нужна «невидимая рука», которой и могла стать суперсимметрия .
🚜 Будущее: Кольцо длиной 100 километров 1:04:46
Отсутствие сигналов суперсимметрии на LHC к 2019 году стало для теоретиков «шоком» . Моника Данфорд признает, что ожидания экспериментаторов были завышены: многие надеялись на легкое открытие целого зоопарка новых частиц .
Для дальнейшего изучения структуры вакуума и свойств Хиггса физики предлагают новые проекты:
- Международный линейный коллайдер (ILC) в Японии: столкновение электронов и позитронов обеспечит «чистые» измерения без субструктурного «мусора» протонов .
- Будущий кольцевой коллайдер (FCC) в CERN: туннель длиной 100 километров под Женевским озером и горами Юра .
- Энергия FCC составит 100 ТэВ, что почти в 8 раз выше мощности LHC .
Нима Аркани-Хамед подчеркивает: бозон Хиггса — это первая обнаруженная элементарная частица без спина и заряда . Она настолько странная, что ее нужно изучать под «более мощным микроскопом», чтобы понять, является ли она точечной или имеет внутреннюю структуру .
🌌 Конец Вселенной и «пузырь смерти» 1:21:28
Измеренная масса бозона Хиггса (125 ГэВ) указывает на то, что наша Вселенная может находиться в метастабильном состоянии . Джо Ликкен объясняет: текущее состояние «космической патоки» (поля Хиггса) может быть не окончательным .
Существует вероятность спонтанного возникновения «пузыря» иного состояния вакуума . Этот пузырь будет расширяться со скоростью света. Внутри него частицы приобретут иную массу, что мгновенно разрушит все атомы и структуры . Ликкен успокаивает: согласно расчетам, это произойдет не ранее чем через $10^{100}$ лет .
Нима Аркани-Хамед резюмирует, что сейчас — самое захватывающее время для физики за последние 60 лет . Ученые наконец-то подошли к «базовому лагерю» Эвереста и смотрят в лицо фундаментальным вопросам о природе пространства и времени .
