Знание-сила, 2007 № 10 (964)

Пока что эти надежды не исполнились. Первый эксперимент такого рода был произведен в январе 2002 года на релятивистском ускорителе тяжелых ионов (RHIC) в Брукхейвенской лаборатории в США. Частицы золота были разогнаны на нем до энергии в 130 гигаэлектронвольт.

Это был по тем временам самый мощный ускоритель. Поэтому все его характеристики были рекордными. Например, скорость частицы в нем по окончании разгона составляла 99,995% от скорости света, на кольце располагались 1700 с лишним магнитов, на которые было намотано свыше 2000 километров провода, общий вес измерительной установки превышал 3000 тонн, и так далее. Ионы впрыскивались в ускоритель порциями, в каждой до миллиарда частиц, по нескольку десятков порций в секунду; энергия каждой порции при столкновении была эквивалентна нагреву до миллиардов градусов.

Научные последствия эксперимента могли быть огромными.., если бы они были. При каждом столкновении рождалось свыше тысячи новых частиц, но даже самые тщательные измерения не обнаружили ни одного свободного кварка. Точнее говоря, были какие-то косвенные намеки, что кварки «могли бы» появиться, то есть что условия для их рождения были действительно созданы (впервые в науке), но доказательств их реального рождения получено не было.

Несколько лет спустя, в 2005 году, в Брукхейвене был произведен второй такой же эксперимент. На этот раз результаты были еще более мучительно близкими к искомым. Измерения показали, что центр столкновения имел достаточную плотность и температуру для рождения кварков. Этот центральный участок физически вел себя как очень горячая жидкость, что также совпадало с предсказаниями теории для кварковой плазмы. И даже вылетавшие из центра новорожденные частицы вели себя так, как если бы родились в ходе столкновения кварков. Но вот незадача: то, что было в этом «центре столкновения», претерпело превращение в обычное вещество вдвое быстрее, чем предписывала теория. Грубо говоря, этот микроскопический сверхгорячий центральный сгусток не остыл, постепенно расширяясь, а практически лопнул, взорвался, разлетелся на тысячи быстрых частиц. Кварковая плазма так вести себя не могла, если, конечно, верна была теория. Так что же, были кварки или их не было?

Теперь мы добрались — по времени — и до швейцарского эксперимента. Ничего принципиально нового в нем нет, но ученые надеются благодаря большей длине разгона и более мощным магнитам перекрыть здесь рекорды Брукхейвена. Соответственно и планы у них еще более громадные. Они надеются не только обнаружить свободные кварки, но и проложить путь к пониманию таких загадочных, недавно обнаруженных видов материи, как темное вещество и темная энергия, а также проверить одно из важнейших положений новейшей «теории струн», которая предсказывает, будто трехмерное пространство (объем) нашей Вселенной — всего лишь часть более многомерного пространства, в других «измерениях» которого могут существовать другие вселенные с радикально иными физическими свойствами, может быть, со своими галактиками и звездами, а может, и вовсе пустые. В общем, надежд на фундаментальные открытия здесь больше, но опасность взорвать Землю в ходе такого эксперимента такая же ничтожная, как во всех предыдущих аналогичных экспериментах. Так что мы можем спать спокойно.

А о результатах нам доложат.

Дэвид Гросс

(Из лекции, организованной фондом Дмитрия Зимина «Династия» при содействии Международного центра фундаментальной физики в Москве)

Дэвид Гросс

Нобелевский лауреат Дэвид Гросс — директор Института теоретической физики Кавли, Санта-Барбара, Калифорния, США.

К исходу ХХ столетия мы имели завершенную и весьма успешную теорию физики элементарных частиц, описывающую три из четырех фундаментальных сил, действующих в природе, — электромагнитные, слабые ядерные и сильные ядерные взаимодействия. В основе нашего понимания физики элементарных частиц лежит квантовая теория поля, то есть квантово-механическая теория локальных полей.

Как явствует из Стандартной модели физики элементарных частиц, а именно из теории электрослабых взаимодействий и квантовой хромодинамики (КХД), квантовая теория поля, насколько мы можем судить, теоретически описывает все наблюдаемые в природе силы. Стандартная модель крайне успешна и очень хорошо проверена. Сотни экспериментов, проведенных в основном на ускорителях, позволили проникнуть в структуру материи на расстояния до 10 -18сантиметра. И во всех этих экспериментах теория — Стандартная модель — работает очень хорошо. Точность ее экспериментальной проверки необычайно высока. В случае квантовой электродинамики (КЭД) мы иногда можем проверить теоретические предсказания с точностью до единицы на 10 10— поразительное достижение и с точки зрения эксперимента, и с точки зрения теории. В случае объединенной теории электрослабых взаимодействий точность экспериментальных проверок теории иногда приближается к единице на 100 000. И даже в случае сильных взаимодействий мы сегодня имеем точность экспериментальной проверки предсказаний КХД с погрешностью менее одного процента, приближающуюся в некоторых экспериментах к одной тысячной. Таким образом, Стандартная модель необычайно успешна. Более того, не предвидится никаких оснований полагать, что эта модель не работает вплоть до масштабов, соизмеримых с длиной Планка (где начинают проявляться квантовые эффекты гравитации), которая составляет порядка 10 -33сантиметра.

Завершение теоретической разработки Стандартной модели — одно из величайших естественнонаучных достижений ХХ века. Мы развили всеобъемлющую теорию всех негравитационных сил, действующих в природе, работающую в интервале расстояний, начиная с длины Планка и заканчивая размерами Вселенной, то есть различающихся на 60 порядков! Казалось бы, все идет замечательно...

Однако модель оставляет открытой значительную часть вопросов, многие из которых, хотя и вытекают из нее самой, не могут, по нашему мнению, быть разрешены в рамках квантовой теории поля. Например, все силы, управляющие физикой элементарных частиц, описываются в рамках так называемой теории полей Янга-Миллса. А чем теория Янга-Миллса заслужила столь особое положение? В рамках квантовой теории поля можно представить себе и множество других видов силовых взаимодействий. Почему они не проявляются? Затем, в Стандартной модели мы не можем просто взять и рассчитать напряженность полей и заряды всех сил. Например, так называемая постоянная тонкой структуры вычисляется исключительно путем измерений. Мы понятия не имеем, почему она равна приблизительно 1/137.