Бывают ли на свете чудеса? Или чего нам ждать от второго запуска Большого адронного коллайдера

12 декабря ЦЕРН сообщил, что двухлетние каникулы Большого адронного коллайдера (Large Hadron Collider) заканчиваются. Ремонт и апгрейд БАКа завершены, 27-километровый кольцевой туннель для столкновения частиц начали охлаждать до штатной температуры в 1,9 кельвина с тем, чтобы в марте, наконец, погнать по нему пучки ионов с невиданной до сих пор энергией, в два раза большей, чем до каникул, и делать «новую физику». Так что же принесет человечеству второй запуск БАКа? Каких чудес можно ожидать от этой сверхмощной установки?

Бозон Хиггса, темная материя, суперсимметрия

Задач перед учеными стоит немало. Во-первых, надо продолжать исследование частицы, ради которой, собственно, суперколлайдер и затевался — бозона Хиггса. Физикам перед самыми каникулами удалось ухватить его за хвост, и теперь надо отбивать у оппонентов, утверждающих, что это, может быть, вовсе и не тот «хиггс», а на самом деле частица, очень похожая на него, но совсем другая. Причем совершенно неясно, что лучше, на кого следует делать ставки в букмекерских конторах физики микромира — на реальный «хиггс» или на его копию, у которой, может быть, никогда не было оригинала.

Осталось также незавершенным, по словам профессора Тары Ширс (Tara Shears) из Ливерпульского университета, работающей в группе одного из детекторов БАКа, дело с пониманием Вселенной. Коллайдер, в принципе, способен объяснить, почему во Вселенной материи неизмеримо больше, чем антиматерии, если согласно теории Большого взрыва и та, и другая родились одномоментно в равных количествах. Симметрия и суперсимметрия — главные законодательные органы современной физики — такого неравенства не допускают, однако возможны нарушения их законов, которые могли бы со временем привести к сегодняшней диспропорции, и не исключено, что БАК способен эти нарушения уловить. «В ходе предыдущих экспериментов мы фиксировали намеки на то, что не все соответствует нашим ожиданиям, и мы надеемся превратить эти намеки в открытия», — заявила Ширс.

Превратить намеки в открытия БАК готов и в отношении темной материи. Версий о том, что она собой представляет, немало, и их количество прибавляется чуть ли не ежедневно. Если физики в какой-то день вдруг не услышат об окончательном раскрытии тайны этой загадочной субстанции, этот день они считают потерянным и впадают в депрессию до завтрашнего утра, однако на самом деле до сих пор непонятно, что же это за штука. Так вот, среди кандидатов на то, из чего эта темная материя состоит, есть гипотетическая суперсимметричная частица под названием нейтралино, она-то и смогла бы закрыть вопрос — если бы ее обнаружили.

Суперсимметрия — очень мощный инструмент в руках теоретиков, позволяющий объединить до сих пор необъединимое, а именно связать между собой кирпичики материи фермионы (частицы с полуцелым спином) и переносчики взаимодействий бозоны (частицы с целым спином). Согласно суперсимметричной теории, они — одно и то же, только увиденное с разных ракурсов. И главное, каждой известной частице по этой теории суперзеркала должен соответствовать суперсимметричный партнер. Правда, у пространства с такими ракурсами не три измерения, как у нас, а то ли десять, то ли одиннадцать, и людям увидеть эти добавочные измерения нет никакой возможности. Главное разочарование первых экспериментов на БАКе состояло именно в том, что никаких следов суперсимметрии обнаружено не было.

Ученые надеются — и это, пожалуй, одна из важнейших надежд, связанных со «вторым проходом» (Run 2) суперколлайдера  — что теперь при качественно новом уровне энергии столкновений им все-таки удастся обнаружить следы суперсимметричных частиц. Также есть надежда и на другие открытия, способные стать шокирующим сюрпризом.

Рис. 1. Компактный мюонный соленоид — один из двух больших универсальных детекторов элементарных частиц на Большом адронном коллайдере. Фото: Denis Balibouse / Reuters.

Зачем нужны сюрпризы

Сюрприз в данном случае — ключевое слово. От этого зависит не только то, насколько правильно мы смотрим на мир (что в принципе не так уж и важно, поскольку за всю историю человечества мы никогда не смотрели на него «правильно» — можно и еще немного потерпеть), но и само дальнейшее существование физики высоких энергий.

Так называемая Стандартная модель, описывающая сегодня законы мира, теоретически оказалась настолько хороша и убедительна, что все физическое сообщество приняло ее за истину, не дожидаясь экспериментального подтверждения. Такого не случалось со времен Галилея, требовавшего проверки любой теории экспериментом. То есть перед нами либо возвращение к птолемеевым временам на полтысячи лет назад, либо действительно начало «новой физики», то есть вынужденного состояния, которое вообще непонятно что такое, но что-то очень привлекательное и многообещающее.

Рис. 2. Один из ученых ЦЕРНа анализирует результаты экспериментов. Фото: Denis Balibouse / Reuters.

Досконально проверить валидность сегодняшних теорий при нынешнем состоянии физического инструментария невозможно. Например, нельзя поймать более чем гипотетический гравитон, то есть вставить в уравнения еще и гравитацию, поскольку для этого нужны ускорители на пятнадцать порядков более мощные, чем Большой адронный коллайдер. Но кое-что все же нам хоть и с большим трудом, но доступно. В частности — зарегистрировать распад бозона Хиггса, тем самым окончательно доказав справедливость Стандартной модели. Чтобы разгадывать другие тайны мира, потребуются еще более мощные и, соответственно, более дорогие машины, на создание которых нужно изыскивать средства.

Если БАК сделает то, ради чего был создан, то есть, остановившись на бозоне Хиггса, никаких особенных сюрпризов миру не преподнесет — то дело швах. Мир, поднатужив свои международные усилия, выложил чуть не десять миллиардов долларов на строительство БАКа, самой крупной и самой дорогой за всю историю физики экспериментальной установки, подарил, можно сказать, физикам их чаемый бозон, но, простите, с чего он должен раскошеливаться и дальше? То есть раскошелиться-то он, может быть, и может, но на то нужны серьезные основания, мир нужно уговорить на очередное опустошение кошелька. И ничем, кроме совершенно неожиданных, непонятных и переворачивающих все с головы на ноги открытий, то есть тех самых сюрпризов, на него, пожалуй, и не подействуешь.

В общем, если БАК ограничится только обнаружением бозона Хиггса, на физике высоких энергий можно будет поставить крест. Вот причина, по которой ученые, если не считать естественного научного любопытства, с таким нетерпением ждут новых и неожиданных открытий от «второго прохода» женевского суперколлайдера.

Правда, БАК сделал еще одно, мало кем замеченное, открытие — он доказал, что чудес на свете не бывает. Если читатель помнит, строительство этого коллайдера сопровождалось целой серией поломок, аварий и прочих обстоятельств, затягивающих сроки сдачи объекта. Из главных назовем пожар сверхпроводящего магнита летом 2007 года, отложивший запуск БАКа на целых 12 месяцев. Спустя всего несколько дней после торжественного пуска коллайдера осенью 2008-го плохая пайка привела к нагреву гелия, уже охлажденного почти до абсолютного нуля, его выбросу в туннель и сильному повреждению всего, что только можно повредить, что задержало реализацию одного из самых амбициозных международных проектов еще на год. Но, как говорится, человек сильнее механизма, особенно человек, ответственный за освоение миллиардов евро. Человек поднапрягся, и все пошло по плану, хотя и со сбоями, из которых самый смешной и загадочный — эпизод с французским багетом, устроившим очень неприятное, но по срокам сдачи не слишком серьезное замыкание. Там, где этот багет обнаружили, его никак не могло быть, и решили, что просто птичка его украла, а потом, пролетая над кольцом строящегося суперколлайдера, не удержала в клюве и уронила прямиком вниз. Весьма таинственная история.

Доказательство возможности чуда

Все эти эпизоды заставили журналистов вспомнить статью двух физиков-теоретиков — японца Масао Ниномия (Masao Ninomiya) из Института Юкавы в Киото и датчанина Хольгера Бека Нильсена (Holger Bech Nielsen) из Института Нильса Бора в Копенгагене, опубликованную в июле 2007 года, еще до самых главных поломок. В ней говорилось о том, что бозон Хиггса открыть нельзя, потому что большой поток таких бозонов противоречит законам природы, и природа позаботится о том, чтобы этого не случилось.

Для российских любителей научной фантастики предсказания этой японо-скандинавской пары оказались настоящим откровением — в том смысле, что они чуть не до буквы совпали с тем, что было когда-то описано в романе братьев Стругацких «За миллиард лет до конца света». Там некий теоретик пытался написать свою теорию, но ему все время что-то мешало — а потом стало понятно, что мешает мироздание, потому что эту теорию создавать запрещено законом природы. Физическое сообщество предпочло не обращать внимания на данную гипотезу, как не обращают внимания на непристойный звук, изданный на светском приеме. Хотя ее авторы — вполне серьезные исследователи (а Хольгер Нильсен вообще считается одним из отцов популярной сегодня теории струн), их работа была воспринята как нечто из цикла «физики шутят».

Автор данных строк заинтересовался, какая доля шутки содержится в этой «шутке», и связался с профессором Нильсеном. Выяснилось: а) что все вполне серьезно, что шуткой здесь и не пахнет; б) что ученый никогда не читал «работу» братьев Стругацких и со своим японским коллегой пришел к их идее независимо.

Суть теории, названной ее авторами Моделью законов природы с чудесами (причем под «чудесами» здесь понимались события, противоречащие законам природы), вкратце такова. Некоторые события из разряда «чудес» в принципе могут происходить, но природа устроена так, чтобы этих событий все-таки не случалось, потому что в будущем они могут привести к ситуации, не позволительной с точки зрения законов природы. Поэтому этим событиям что-нибудь да препятствует — упавшее дерево, экономический кризис, смерть в ДТП или выигрыш в лотерею. Словом, что угодно, хотя бы даже сущая ерунда наподобие плохой пайки, лишь бы только не произошло «чуда» — в данном случае обнаружения физиками бозона Хиггса.

«Это нормальная физическая модель, которая не противоречит ничему из того, что мы знаем о мире. Конечно, это не установленная физика, это модель, то есть то, что может быть, а может и не быть, и если когда-нибудь церновский коллайдер все-таки запустят, это будет означать, что модель с большой вероятностью неверна», — сказал Нильсен.

Как мы знаем, церновский коллайдер был все же запущен, искомый бозон с большой вероятностью обнаружен, а, стало быть, и «теория чудес» с такой же большой вероятностью неверна. Чудес, за которыми природа должна следить из своего будущего, не бывает. Блистательно доказав этот тезис своим бозоном, ученые остались наедине с одной-единственной перспективой — изо всех сил надеяться на то, что объявленная ими «новая физика» все-таки преподнесет человечеству чудеса на обновленном суперколлайдере. Те чудеса, которые природой все-таки не запрещены.