Иэн Сэмпл - В поисках частицы Бога, или Охота на бозон Хиггса

За несколько недель до включения LHC Шон Кэрролл, физик-теоретик из Калифорнийского технологического института, составил список новых физических явлений, которые можно обнаружить с помощью коллайдера, и выложил его в блоге “ Cosmic variance ” 184 184 См. пост Шона Кэрролла “Что найдет LHC?” на Cosmic Variance, 4 августа 2008 года. . В верхней части списка стояли частицы Хиггса. Кэрролл полагал, что вероятность их обнаружения — 95%. “Только частицы Хиггса из всех элементарных частиц, имеющихся в Стандартной модели, еще не найдены, так что это, безусловно, будет главной целью LHC , если не вмешается “Теватрон” и не обнаружит их первым, — написал он и добавил: — Хиггс почти наверняка существует”. Далее в списке Кэрролла шла теория суперсимметрии — он считал, что вероятность найти ее доказательства составляют 60%. А самой страшной перспективой для физиков было не найти ничего нового вообще — шансы такого скорбного развития событий оценивались в 3 %. Кстати, шанс коллайдера создать стабильную черную дыру, которая поглотит Землю, Кэрролл оценил в 10 -25%. Это одна десятимиллионная от одной миллиардной от одной миллиардной одного процента. Кэрролл пошутил: “Так вы говорите, у нас есть шанс?”, намекая на фильм из девяностых “Тупой, еще тупее” 185 185 Герой фильма Ллойд спрашивает свою любимую Мэри, каковы их шансы быть вместе. Мэри отвечает: “1 на 100 миллионов”. Он восклицает: “Так вы говорите, у меня есть шанс?!” .

Детекторы, которые ученые используют, чтобы увидеть новые физические явления на фоне огромного числа всевозможных осколков, возникающих при столкновениях внутри LHC , — поистине шедевры технологий. Безусловно, самым крупным из всех является детектор, метко названный “Атласом” (это аббревиатура, образованная из первых букв слов в названии A Toroidal LHC Apparatus ). По размеру он сопоставим с олимпийским плавательным бассейном. 7000-тонный “Атлас” и не очень маленький CMS -детектор были спроектированы для поисков частицы Хиггса, но с их помощью ученые надеялись зарегистрировать и что-нибудь еще— например, экзотические частицы темной материи или дополнительные измерения.

Бозон Хиггса может родиться внутри Большого адронного коллайдера несколькими способами, но самый вероятный из них — при столкновении и слипании двух глюонов (частиц, которые связывают кварки внутри протонов). Энергии, выделяемой при столкновении, заведомо хватит, чтобы создать частицы Хиггса, но они сразу же после этого распадутся. Если бозон Хиггса окажется легким (примерно с той массой, которую приписали ему, когда на коллайдере LEP в ЦЕРНе увидели сигнал, похожий на его след), то он, вероятно, затеряется в облаке гамма-лучей. Если бозон Хиггса немного тяжелее, скажем, весит больше 130 ГэВ, ученые будут искать треки, оставленные четырьмя лептонами (семейство частиц, включающее электрон). Поиск частицы Хиггса состоит в вычленении этих сигналов из всех сигналов, оставленных другими субатомными осколками, которые в огромном количестве образуются при столкновениях на LHC .

На небольшом расстоянии от “Атласа” расположен детектор LHCb . С его помощью ученые пытаются решить вопрос, еще в 1933 году поставленный Полем Дираком в его нобелевской лекции. При рождении Вселенной в результате Большого взрыва около 14 миллиардов лет назад возникло равное количество материи и антиматерии. Что случилось со всей антиматерией? Существуют ли звезды из антиматерии, сияющие в галактиках из антиматерии? Детектор LHCb предназначен для регистрации частиц, состоящих из b -кварков (прелестных) — тяжелых кварков, и именно они помогут ответить на вопрос, почему обычная материя победила в сражении с антиматерией...

В течение месяца каждый год техники ЦЕРНа должны очищать LHC от протонов и заливать его ионами свинца для экспериментов, для которых в основном и предназначен детектор ALICE (аббревиатура, образованная из начальных букв слов A Large Ion Collider Experiment ). Когда эти ионы столкнутся на скоростях, близких к скорости света, возникнут температуры в 100 000 раз выше, чем в центре Солнца. В этих условиях ионы образуют кварк-глюонную плазму — странную форму материи, которая, как полагают ученые, существовала на ранней стадии жизни нашей Вселенной. Наблюдая, как ведет себя эта кварк-глюонная плазма, ученые в экспериментах на ALICE надеются разгадать, как она превращается в частицы сегодняшней Вселенной.

Есть еще одна сумасшедшая гипотеза, которую надеются проверить с помощью БАКа. Две группы московских ученых (одна — под руководством Ирины Арефьевой и Игоря Воловича из Математического института имени Стеклова, а другая — под руководством Николая Кардашева из Физического института РАН — считают, что БАК может создать “машину времени” 186 186 См. статьи: Андрей Миронов и др. Если LHC является фабрикой по производству мини-машин времени, сможем ли мы это заметить? ArXiv: hep-th 0710.3395V1, 17 октября 2007 года; И. Арефьева и И. Волович. Машина времени на LHC”, ArXiv: hep-th 0710.2696V2, 26 октября 2007 года; Michael Brooks. 2008: Does time travel start here? New Scientist, 9 February 2008. . Правда, не ту, что придумал Герберт Уэллс в 1895 году и не ту, что похожа на сани Санта-Клауса с вмонтированным в них античным диваном и балдахином. Машины времени, созданные фантазией и расчетами российских математиков, подобны крошечным кротовым норам, или червоточинам. Это такие искажения пространства-времени, которые могли бы, в принципе, позволить если и не людям, то частицам путешествовать из будущего в прошлое.

Идея выглядит диковинной. Она такая и есть. Но математики утверждают, что при определенных условиях две частицы могут столкнуться лоб в лоб в LHC с такой силой, что вызовут ударные волны, способные исказить микроскопические области пространства — времени. Некоторым физикам кажется, что это в пределах возможностей LHC , хотя большинство думает, что для создания такой “червоточины” потребовалось бы нереализуемое, огромное количество энергии.

Если Арефьева и ее коллеги-математики правы, столкновения в LHC могут создать то, что физики называют замкнутой временеподобной кривой, в которой время завязывается петлей. Узел отмечает своего рода нулевой год для путешествий во времени. Ничто из будущего не может путешествовать во времени назад до того, как “червоточины” будут созданы, и даже тогда это путешествие осуществимо лишь при появлении временной петли. Согласно теории (и, видимо, не нужно предупреждать, что это весьма спекулятивные рассуждения), люди из будущего могли бы послать нам сообщение в ЦЕРН через такие мимолетные “червоточины”. Правда, более вероятно следующее явление: ученые, работающие в лаборатории, вдруг увидят, как субатомные осколки, образующиеся при столкновениях частиц, исчезнут, попав в петлю времени. Российские ученые считали бы это экспериментальным доказательством существования “червоточин” и возможности путешествий во времени.