Фрэнк Вильчек - Основы реальности

Как мы ищем его

Если у конденсата Хиггса только один ингредиент, мы можем многое сказать о нем. Грубо говоря, если эта частица представляет собой часть (квант) конденсата, вопрос в том, насколько она велика. Таким образом, свойства и поведение частицы Хиггса можно предсказать, узнав ее массу. Поставив такую цель, экспериментаторы смогли спланировать стратегию «охоты» на частицу Хиггса. Они делали это, имея вполне определенные представления о том, что ищут и как это распознать.

Чтобы «поймать» частицу Хиггса, нужно сделать две вещи: создать несколько таких частиц и получить доказательства их мимолетного существования. Оба шага очень сложны. Чтобы создавать тяжелые элементарные частицы, вы должны сконцентрировать в очень маленьком объеме большую энергию. Это делается на ускорителях, где пучки быстро движущихся протонов (или других частиц [115]) сталкиваются с материалом мишеней или друг с другом. Несколько лет до 2012 года поиски частиц Хиггса велись путем экспериментов, где концентрация энергии все время наращивалась, но тщетно. Теперь, оглядываясь назад, мы знаем: энергии нам все равно не хватало. И наконец, появился Большой адронный коллайдер, или БАК.

БАК представляет собой круглый подземный туннель длиной около двадцати семи километров. Он прорыт в сельской местности на территории Франции и Швейцарии. В рабочем режиме БАК два узких пучка протонов мчатся в противоположных направлениях внутри проложенной через туннель трубы. Двигаясь почти со скоростью света, протоны совершают одиннадцать тысяч оборотов в секунду.

Пучки пересекаются в четырех точках. Сталкивается только небольшая часть протонов, но это все равно составляет почти миллиард столкновений в секунду. Вся эта огневая мощь создает концентрацию энергии, необходимую для образования частиц Хиггса.

Следующая задача — обнаружить их. В точках пересечения пучков расположены огромные высокотехнологичные детекторы. Один из них — ATLAS — более чем в два раза превышает Парфенон. Детекторы измеряют энергии, заряды и массы частиц, возникающих в результате столкновений, а также определяют направления их движения. Они передают всю эту информацию со скоростью 25 миллионов гигабайт в год во Всемирную сеть, которая связывает тысячи суперкомпьютеров. Ее сбор необходим по следующим причинам.

• События сложные. Обычно из каждой частицы образуется десять или более других.

• Лишь в небольшом количестве событий — менее чем в одном на миллиард — участвуют частицы Хиггса.

• Время жизни частицы Хиггса — примерно 10 –22секунды, то есть несколько десятых долей одной триллионной одной миллиардной доли секунды. Именно поэтому даже в событиях, в которых бозоны Хиггса все-таки участвовали, их присутствие было крайне кратковременным.

• В этих редких событиях, в которых так недолго присутствовали частицы Хиггса, участвует еще множество других частиц.

Короче говоря, охотясь на частицу Хиггса, вы должны очень хорошо понимать, что происходит, и отслеживать не только процессы с ее участием, но и все остальные. С одной стороны, важно не пропустить нужное событие, ухватившись за некоторые почти неизбежные последствия мимолетного присутствия частицы Хиггса, а с другой — предстоит отмести все посторонние процессы. Иначе вы получите массу ложных срабатываний.

Об открытии частицы Хиггса объявили 4 июля 2012 года. Удалось зарегистрировать сигнал, соответствующий избыточному количеству пар фотонов высоких энергий. Было предсказано, что такие пары возникают в результате распадов частиц Хиггса, а обнаруженное их количество явно превышало то, которое могло появиться в результате любой другой вероятной реакции [116]. С тех пор обнаружено еще несколько типов сигналов, возникающих из-за реакций распада частиц Хиггса. Частота их появления совпадала с теоретическими предсказаниями.

«Поймав» частицу Хиггса, мы расширили границы своего восприятия. Мы увидели то, что природа делает очень редко, очень ненадолго и только после того, как ее сильно попросить. Для пытливого человеческого ума пустое пространство больше никогда не будет выглядеть пустым. Рыбка Ньютон и Питер Хиггс научили нас этому.

Что мы ищем и почему

Напомним образное описание общей теории относительности, данное Джоном Уиллером: «Пространство-время указывает материи, как двигаться; материя указывает пространству-времени, как изгибаться». Афоризм Уиллера запоминается, но он же и вводит нас в заблуждение, точнее, к нему нужно важное дополнение: пространство-время — это тоже форма материи .

В частности, неправильно думать, что кривизна пространства-времени полностью определяется чем-то инородным, а именно «материей». Искривление пространства-времени требует энергии, а энергия вынуждает пространство-время изгибаться. Таким образом, кривизна сама участвует в создании себя. Пространство-время живет собственной жизнью.

Мы уже слышали об этом раньше. Триумфальная фарадеевская концепция поля, а точнее, уравнений Максвелла, облекшего ее в математическую форму, привела к открытию электромагнитных волн. Электромагнитное поле тоже живет собственной жизнью. Изменяющиеся электрические поля создают изменяющиеся магнитные поля, которые создают изменяющиеся электрические поля и так далее до бесконечности. Самоподдерживающееся возмущение полей движется в пространстве. Если оно повторяется с подходящей частотой (длиной волны), мы увидим его в виде света. Мы научились ловить и другие длины волн с помощью разных детекторов — например, радиоприемников или посуды в микроволновках.

Искривленное поле Эйнштейна, которое отвечает за гравитацию, точно так же рождает самоподдерживающиеся возмущения — гравитационные волны. В них искривление пространства-времени в одних направлениях вызывает искривление в других.

Уравнения для гравитационных волн очень похожи на уравнения для электромагнитных — только смысл символов другой [117]. Типы источников, возбуждающих волны, различны: для электромагнитных волн это движущиеся электрические заряды, а для гравитационных — движущиеся массы. А еще, несмотря на качественное сходство, существует большая количественная разница между этими волнами.

Она возникает из-за того, что, согласно общей теории относительности, пространство-время — чрезвычайно жесткая структура и даже быстрые движения, связанные с большими массами, вызывают в ней лишь крошечные колебания. Это и хорошая и плохая новость.

Хорошая новость: гравитационные волны несут сообщения о некоторых самых бурных и интересных событиях во Вселенной, в которых участвуют крупные объекты. Эти волны дают нам новый способ познания Вселенной, остается лишь учиться фиксировать такие данные. Например, лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория — LIGO — разрабатывалась в расчете на сигналы от нескольких необычных источников. Это могли бы быть взрывы в системе двух вращавшихся друг вокруг друга черных дыр или нейтронных звезд или черной дыры и нейтронной звезды в последний момент перед слиянием. Поскольку из-за гравитационного излучения вращающиеся объекты теряют энергию, их орбиты сближаются — медленно и постепенно, вплоть до последних мгновений. На последнем витке они, наоборот, движутся очень быстро. Именно тогда всплеск излучения становится таким сильным, что его можно зарегистрировать.