Шон Кэрролл - Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира

Мы пытаемся угадать, не скрываются ли за бозоном Хиггса миры с другими силами, симметриями и измерениями.

Уже в десять лет вид звездного неба завораживало Веру Рубин. С годами ее интерес к звездам только возрастал, и собираясь поступать в колледж, она решила изучать астрономию. Но шли 1940-е годы, и женщин в США к занятиям естественными науками допускали не очень охотно. Член приемной комиссии престижного колледжа Суортмор, который она выбрала, спросил Веру, нет ли у нее еще каких-нибудь увлечений, кроме астрономии. Она призналась, что обожает живопись, и ее собеседник ухватился за это и спросил: «А вы никогда не думали о том, чтобы стать художником и рисовать астрономические объекты?» В итоге она вместо Суортмора поступила в Колледж Вассара [12], но вопрос тот запомнила. Позже она вспоминала: «Это стало дежурной фразой в моей семье. Всякий раз, когда что-то у кого-то из нас шло не так, мы говорили: «А вы никогда не хотели стать художником и рисовать астрономические объекты?»

Рубин закончила колледж, потом продолжила обучение в аспирантуре Корнелла, а затем в Джорджтаунском университете. Это был нелегкий путь: например, когда она написала в Принстон и попросила прислать учебный план университетской аспирантуры, администрация университета ответила отказом, заявив, что отделение астрономии не принимает женщин в аспирантуру. (Отношение к женщинам в науке изменилось только в 1975 году.)

Один из секретов выдающихся ученых в том, что они заглядывает туда, куда другим и в голову не придет посмотреть. Когда появились мощные телескопы, многие астрономы первым делом стали изучать центральные области далеких галактик, где много звезд и идет кипучая деятельность. Рубин решила сосредоточиться на внешних, мало заселенных звездами областях галактики, и попытаться изучить динамику периферийных звезд и газа, медленно вращающихся на краю галактики. Такие наблюдения дают возможность определить ее общую массу: чем больше материи внутри галактики, тем выше гравитационное поле в местах расположения внешних звезд и тем быстрее они должны вращаться.

И вот тут Рубин и ее сотрудник Кент Форд обнаружили некую странность. Казалось бы, звезды должны двигаться все медленнее и медленнее по мере удаления от центра галактики, подобно тому, как замедляется движение планет Солнечной системы по мере их удаления от Солнца. Действительно, гравитационное поле там слабее, следовательно, должна быть меньше центробежная сила и, следовательно, нужна меньшая скорость вращения по данной орбите. Но Рубин и Форд обнаружили, что все происходит совсем иначе: они увидели, что звезды, расположенные на больших расстояниях от плотной центральной области галактики, движутся с той же скоростью, что и в центре. Разгадка оказалась простой, но такое было трудно вообразить: в галактике на самом деле намного больше материи, чем мы можем видеть, и большая ее часть, в отличие от видимых звезд, располагается вдали от центра галактики.

Рубин и Форд наткнулись на удивительное явление, которое в настоящее время составляет центральную проблему космологии, а именно – на темную материю.

Они не были первыми – еще в 1930-х годах швейцарско-американский астроном Фриц Цвикки показал, что в кластере галактик Кома находится гораздо больше материи, чем мы способны наблюдать с помощью телескопов, а голландский астроном Ян Оорт и в локальной окрестности нашей галактики обнаружил больше материи, чем казалось на первый взгляд. В течение долгого времени, однако, сохранялась надежда, что эту лишнюю материю просто «проглядели», и она на самом деле привычная, знакомая нам материя, но в такой форме, которую нелегко заметить. Когда ученые больше узнали о галактиках, их кластерах и Вселенной в целом, стало возможным точно измерить независимо два числа – общее количество материи во Вселенной и общее количество «обычной материи», где под обычной материей понимаются в том числе атомы, пыль, звезды, планеты и всякие разные известные частицы Стандартной модели.

И эти два числа не совпали! Общий объем обычной материи во Вселенной составляет лишь примерно одну пятую от общего количества материи. Подавляющая часть материи – это темная материя, и она не состоит из частиц Стандартной модели.

Бозон Хиггса – последний фрагмент пазла, которым является Стандартная модель, но Стандартная модель – не конец пути. Темная материя – лишь одна из множества загадок, которые еще только предстоит разгадать, а для этого потребуется новая физика. И кто знает, а вдруг Хиггс станет мостом между тем, что мы знаем, и тем, что мы только надеемся узнать. Возможно, дальнейшее изучение бозона Хиггса прольет свет на темные миры за пределами нашего собственного…

Давайте покопаемся в темной материи немного более тщательно, раз именно она предоставляет самые веские свидетельства того, что существует физика и за пределами Стандартной модели. Кроме того, на ее примере легче всего продемонстрировать, как бозоны Хиггса могут использоваться для построения новой физики.

Чтобы понять, что такое темная материя, давайте подумаем, откуда она взялась. Представьте, что у вас есть экспериментальный аппарат, построенный на базе суперпечи, то есть закрытый ящик с каким-то веществом внутри, и к нему приделана ручка, с помощью которой можно выставить какую угодно температуру – от самой высокой до самой низкой. Температура в обычной печи достигает, как правило, 250 °С, что в обычных единицах физики элементарных частиц составляет около 0,04 электронвольт. При этой температуре молекулы могут перестроиться (в быту это называется «печь пирог»), но атомы еще сохраняют свою целостность. Как только мы доведем температуру до нескольких электронвольт или выше, электроны оторвутся от своих ядер. Когда мы доведем температуру до миллионов электронвольт (МэВ), ядра сами разорвутся на куски, и образуются свободные протоны и нейтроны.

При высоких температурах происходят и другие важные процессы: столкновения между частицами становятся столь энергичными, что образуются новые пары частица-античастица – подобно тому, как это происходит в коллайдере частиц. Считается, что когда температура становится выше общей массы пары частица-античастица, такие пары будут производиться в большом количестве. А при достаточно высоких температурах уже почти не имеет значения, что было в печи в первый момент, и горячая плазма образуется всеми частицами с меньшими, чем температура печи, массами. (Напомним, что и масса, и температура могут выражаться в ГэВ.) Если же температура достигнет 500 ГэВ, наш ящик уже просто загудит от заполняющих его бозонов Хиггса, кварков и лептонов всех видов, W– и Z-бозонов и прочих частиц – не говоря уже о возможных новых частицах, которые еще не обнаружены здесь, на Земле. Если бы мы начали постепенно снижать температуру внутри этого ящика, эти новые частицы постепенно стали бы исчезать, врезаясь в свои античастицы и аннигилируя, и у нас остались бы только те частицы, с которых мы начали.