Этюды о частицах

Алексей Левин
Алексей Левин

Недавно вышла в свет книга «Этюды о частицах: от рентгеновских фотонов до бозонов Хиггса» историка и популяризатора науки Алексея Левина. Серия очерков показывает эволюцию физики субатомных частиц от зарождения этой дисциплины в последнем десятилетии XIX века до нынешнего состояния и дальнейшие перспективы. Публикуем фрагмент с любезного разрешения издательства «Товарищество научных изданий КМК»1 и автора. См. предыдущие материалы Алексея Ефимовича на сайте ТрВ-Наука: trv-science.ru/tag/aleksej-levin

Стандартная модель и ее пределы

Этюды о частицахСтандартная модель элементарных частиц по праву считается самой успешной и универсальной теорией, когда-либо созданной физиками. Этот почетный титул она получила полвека назад (или, возможно, чуть позже) и с тех пор его прочно удерживает. Однако ни одна наука еще не придумала теоретических конструкций, которые бы не нуждались в модификации и/или коррекции, и физика здесь не является исключением. СМ имеет свою область применимости, границы которой пока точно не определены, но, безусловно, существуют. Есть все основания считать, что СМ безупречно работает в ограниченном сверху диапазоне энергий, но теряет силу за его верхней гранью. В этом смысле она является тем, что физики именуют эффективной теорией, — подобно, скажем, электродинамике Максвелла — Лоренца, которая справедлива лишь при пренебрежении квантовыми эффектами. Вот об этом я и хотел бы поговорить в этой главе.

Воля провидения или демон истории подарили физике субатомных частиц очень бурное начало. Напомню, что радиоактивность была обнаружена на рубеже февраля и марта 1896 года, а рентгеновские лучи — в декабре. Несколькими месяцами позже Джозеф Джон Томсон открыл электрон, а в 1899-м Эрнест Резерфорд заявил о существовании двух видов радиоактивной эманации — альфа и бета. Наконец в 1900 году Макс Планк положил начало квантовой теории излучения (как сейчас ясно, и всей квантовой физике), а Поль Виллар выявил у радия третью разновидность эманации — гамма-излучение. Столько поистине судьбоносных прорывов в познании материи — и всего-то за четыре года!

А потом, как говорил Михаил Сергеевич Горбачёв, процесс пошел. Еще до конца первой трети ХХ века была создана нерелятивистская и релятивистская квантовая механика, идентифицированы протон и нейтрон, раскрыта роль этих частиц в качестве строительных блоков атомных ядер (отсюда и их общее название — нуклоны), предположено существование нейтрино, а двумя годами позже — еще и мезонов. Этот блестящий старт вывел физику микромира на дорогу ко множеству позднейших замечательных достижений, о многих из которых рассказано в этой книге.

Стандартная модель элементарных частиц. MissMJ, Lord Akryl / «Википедия»
Стандартная модель элементарных частиц. MissMJ, Lord Akryl / «Википедия»

Вряд ли стоит доказывать, что в этом списке первое место занимает создание Стандартной модели элементарных частиц — это общеизвестно и общепринято. Напомню только, что все ее многочисленные предсказания давно сбылись. Последним и самым трудозатратным этапом на этом пути стало открытие бозона Хиггса и последующее подтверждение его ожидаемых свойств. По научной ценности эти результаты можно сравнить разве что с осуществленным в том же самом втором десятилетии нашего века детектированием волн тяготения и извлечением из сырых данных гравитационных обсерваторий уникальной информации о нейтронных звездах и черных дырах.

Однако есть и немаловажная разница. Гравитационные эксперименты сейчас на подъеме, а вот физика субатомных частиц пребывает в состоянии определенного затишья. Разумеется, в разных странах работают ускорители и ведутся интересные исследования, но они не дают и не обещают столь же фундаментальных результатов, как отлов хиггсов. Ни наблюдение тетракварков и пентакварков 2, ни детектирование ранее неизвестных резонансов, ни экспериментальная информация о тонких деталях строения нуклонов 3, ни всё новые данные о столкновениях релятивистских тяжелых ионов 4 на этом фоне как-то не кажутся чем-то сенсационным.

Я только что отметил, что Стандартная модель выполнила все свои обещания. На ее основе была построена система истинно элементарных частиц, которая поражает своей законченностью и стройностью. О ней много говорилось в предшествующих главах, но я для порядка напомню основные пункты. Это три фермионных поколения кварковых и лептонных пар, группа медиаторов сильных, слабых и электромагнитных взаимодействий, обладающих единичным спином (напомню, что эти частицы называются векторными бозонами), и бесспиновый, т. е. скалярный, бозон Хиггса. Первое кварковое поколение — это u-кварки и d-кварки, первое лептонное — электронное нейтрино и электрон. Второе поколение фермионов состоит из c-кварка и s-кварка, мюонного нейтрино и мюона, третье — из t-кварка и b-кварка, тау-нейтрино и тау-частицы. Бозонные медиаторы — это два массивных W-бозона и даже более массивный Z-бозон, безмассовый фотон и восьмерка безмассовых глюонов. Бозон Хиггса партнеров не имеет, и пока что это единственная истинно скалярная элементарная частица, известная физике.

С другой стороны, СМ до сих пор успешно отбивает все попытки серьезной модификации или даже опровержения в ее собственной области применения. В этом плане, например, весьма поучительна история длительных поисков четвертой разновидности нейтрино, отличной от трех известных (электронного, мюонного и тауонного). Согласно очень интересной версии расширения СМ, эта гипотетическая частица имеет (в отличие от «обычных» нейтрино) правовинтовую ориентацию и не участвует в слабых взаимодействиях. Как уже было отмечено в семнадцатой главе в разделе о лептогенезисе, такие нейтрино называют стерильными, а три нейтрино Стандартной модели — активными. Его масса входит в теорию в качестве свободного параметра и может варьироваться от долей электронвольта до 1015 ГэВ. Напомню, что стерильные нейтрино с достаточно большими массами (конкретно, свыше тысячи электронвольт) задействованы в моделях рождения барионной асимметрии.

Подтверждение гипотезы четвертого нейтрино сулило бы много важных результатов как для физики частиц, так и для космологии (например, одна из разновидностей стерильного нейтрино давно рассматривается в качестве кандидата на роль темной материи). Однако пока таких подтверждений не видно, а вот опровержения уже имеются. Стерильные нейтрино с массами менее 5 ГэВ могут рождаться в слабых распадах барионов и мезонов, а потом вновь распадаться в заряженные частицы СМ. Поэтому их, в принципе, можно обнаружить с помощью современных методов физического эксперимента. Такие попытки предпринимаются, но пока безуспешно. В 2021 году в Фермилабе участники эксперимента MicroBooNE пришли к заключению, что маломассивного стерильного нейтрино, скорее всего, не существует. В начале 2023 года о том же заявили члены другой команды экспериментаторов, коллаборации Stereo. Тем не менее охота на эти частицы не закрыта. А дальше, как говорится, будем посмотреть.

Таким образом, физика уже полвека имеет в своем распоряжении чрезвычайно успешную теорию, которая описывает мир субатомных частиц. Она не раз подтверждалась в эксперименте и после открытия бозона Хиггса. Например, осенью 2018 года две коллаборации сотрудников БАК, работающие на детекторных комплексах Atlas и CMS, сообщили о регистрации давно предсказанного распада хиггса на пару b-кварков 5. Как было отмечено в тринадцатой главе, это основной канал хиггсовского распада, его вероятность приблизительно равна 70%. Однако он дает сложный фон, и то, что его удалось обнаружить, стало большим успехом женевских экспериментаторов.

Однако и СМ, при всем своем могуществе, всё же не всесильна и не беспроблемна. Например, в восемнадцатой главе я рассказал, почему она не способна количественно объяснить процесс бариогенезиса и, следовательно, барионную асимметрию Вселенной. Конечно, у нее есть и другие слабости. СМ ровно ничего не может сказать о частицах темной материи, чья общая масса (точнее, масса-энергия) в наблюдаемой Вселенной в пять с лишним раз превышает массу обычного (то есть барионного) вещества. Она также содержит слишком много численных параметров, чьи значения не выводятся из ее уравнений и определяются только из экспериментов (поэтому такие параметры называются свободными). В первом варианте СМ предполагалось, что все нейтрино имеют нулевую массу, и тогда общее число этих параметров равнялось девятнадцати. Когда были открыты осцилляции нейтрино, и эти частицы автоматически лишились статуса безмассовости, в СМ пришлось ввести еще семь параметров. Девятнадцать плюс семь равняется двадцати шести — явно многовато.

Но и это не всё. Численные значения этих параметров уж слишком разнятся между собой. Например, среди них массы трех лептонов, электрона, мюона и тау-частицы. Мюон приблизительно в 200 раз тяжелее электрона, а тау-частица двадцатикратно массивней мюона. То же самое и с кварками, там диапазон масс варьирует от 2,3 МэВ у u-кварка до 173 210 МэВ у t-кварка. Другой пример: один из свободных параметров характеризует степень нарушения СР-симметрии. Его численная величина точно не определена, неизвестен даже ее знак, плюс или минус, но, как показывают эксперименты, по модулю она не превышает 10–10. Очень близко к нулю, но всё же не нуль — это непонятно и опять-таки подозрительно.

Загадка свободных параметров имеет как минимум два решения (на самом деле их больше, но остальные менее естественны). Во-первых, можно допустить, что все они, или, по крайней мере, большинство, представляют собой чисто случайные следствия каких-то глубинных законов природы и/или конкретной истории нашей Вселенной. В таком случае проблема их объяснения вообще не возникает — достаточно покачать головой и сказать, что так уж устроен мир. Правда, вера в чистую случайность плохо согласуется с основными устремлениями науки и как-то принижает веру в ее возможности, но логически она непротиворечива.

Однако есть и альтернативная интерпретация. Она состоит в том, что значения этих параметров диктуются еще неоткрытыми симметриями пространства-времени и заполняющих его физических полей. Как известно, геометрический порядок пространственно-временного континуума задается группой движений пространства Минковского, известной как неоднородная группа Лоренца, или группа Пуанкаре. Она включает все глобальные симметрии, совместимые со специальной теорией относительности. Есть серьезные основания считать, что группа Пуанкаре выражает основополагающую симметрию важнейших законов природы и потому не нуждается в модификации. В то же время Стандартная модель, как уже говорилось в нескольких главах, основана на комбинации (точнее, произведении) непрерывных групп SU(3), SU(2) и U(1). Эти группы предположительно соответствуют калибровочным симметриям трех конкретных физических взаимодействий и в силу этого не выглядят столь же обязательными. Можно предположить, что они окажутся подгруппами каких-то других групп, на основе которых можно будет найти эффективные обобщения Стандартной модели.

Эта идея так же стара, как и сама Стандартная модель. В 1974 году Говард Джорджи и Шелдон Глэшоу предложили объединить все три фундаментальных взаимодействия на базе группы квадратных матриц пятого порядка с комплексными элементами — разумеется, название ей SU(5). Это минимальная группа Ли, имеющая группы SU(3), SU(2) и U(1) в качестве подгрупп 6. В том же году Джогеш Пати и Абдус Салам опубликовали аналогичную модель, основанную на произведении групп SU(4), SU(2) L и SU(2) R 7.

Абдус Салам. 1983 год. ICTP Photo Archives
Абдус Салам. 1983 год. ICTP Photo Archives

Различные математические конструкции с группами Ли, нацеленные на выход за пределы Стандартной модели, получили общее название Grand Unifed Theories (GUT). Комментировать их я не буду, это не в плане книги. Скажу только, что они дали немало любопытных результатов, но основную проблему не решили. Так, модель Джорджи и Глэшоу впервые позволила строго доказать, что заряд электрона по абсолютной величине в точности равен заряду протона. Далее, ей удалось объединить в теоретико-групповом смысле сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия, представив их в качестве своего рода потомков единого квантового поля. Предполагается, что это поле в своем первозданном виде могло существовать только при очень высоких энергиях (1015–1016 ГэВ), которые характерны для самого раннего этапа эволюции Вселенной. Затем при расширении и охлаждении космического пространства оно претерпело расслоение на сильное и электрослабое взаимодействие, которое произошло из-за спонтанного нарушения симметрии.

Модель Джорджи — Глэшоу предсказала существование двух калибровочных бозонов с массами порядка тех же 1015–1016 ГэВ, которые, естественно, тоже не пережили младенчества Вселенной. Эти бозоны, о которых кое-что уже было сказано в конце семнадцатой главы в связи с проблемой бариогенезиса, могли «переделывать» лептоны в кварки, а кварки — в лептоны. Наконец, она позволила предсказать, что протон может прожить около 1032 лет, но потом обязан распасться на позитрон и нейтральный пион (кстати, при непременном участии вышеупомянутой пары бозонов). Легко видеть, что при этой реакции меняются барионные и лептонные числа, но сохраняется их разность, о чем тоже говорилось в семнадцатой главе. Для тех, кто не хочет утруждать себя элементарной арифметикой: в уравнении этой реакции слева стоит трехкварковый протон с барионным числом 1 и лептонным 0, а справа пион, у которого оба эти числа равны нулю, и позитрон с лептонным числом –1. Слева разность барионного и лептонного числа равна 1–0, т. е. 1; справа она равна 0–(–1), т. е. опять-таки 1. Всё прекрасно, да здравствует наука! Я помню, что предсказание нестабильности протона в свое время особенно понравилось журналистам и популяризаторам науки.

Модель Пати — Салама тоже объединила кварки с лептонами, но иным образом. В их схеме лептоны предстают как кварки, несущие дополнительный, четвертый по счету цвет (отсюда и заголовок их статьи). И у них, как и у Джорджи с Глэшоу, появляются векторные бозоны, которые в качестве медиаторов делают возможным взаимные превращения кварков и лептонов. То, что эти гипотетические частицы науке совершенно неизвестны, традиционно объясняется их гигантской массой, которая делает невозможным их рождение в ускорителях. Потом было немало других попыток того же рода.

Стивен Вайнберг и Шелдон Глэшоу в день объявления лауреатов Нобелевской премии. Октябрь 1979 года. HUV 2380.1. Harvard University Archives
Стивен Вайнберг и Шелдон Глэшоу в день объявления лауреатов Нобелевской премии. Октябрь 1979 года. HUV 2380.1. Harvard University Archives

Однако формальные успехи в деле Великого объединения трех фундаментальных взаимодействий были достигнуты весьма высокой ценой. Например, в модели Джорджи — Глэшоу отсутствовал u-кварк, который пришлось вводить «вручную». С другой стороны, там появилось аж пятнадцать левовинтовых частиц, у которых спин всегда направлен противоположно моменту. Экспериментаторам известна только одна такая частица — как уже говорилось, это нейтрино (конечно, есть еще правовинтовое антинейтрино). Наконец, определенная в эксперименте нижняя граница времени жизни протона приближается к 1034 годам, так что и в этом отношении модель неверна — по крайней мере, в ее оригинальной версии.

Специалисты по теории элементарных частиц не были бы достойны своей зарплаты, если бы не умели устранять слабости конкретных версий Великого объединения. Например, если вместо SU(5) использовать группу вращений действительного (в смысле, некомплексного) десятимерного пространства SO(10), время жизни протона можно поднять до 1034–1035 лет 8. Более того, групповые структуры моделей Джорджи — Глэшоу и Пати — Салама можно интегрировать в структуру группы SO(10), хотя и разными способами. Эти результаты делают честь изобретательности теоретиков, но генеральную проблему конструктивного выхода за границы СМ все-таки не решают.

Еще одна насущная, но нерешенная проблема физики частиц состоит в объяснении того, почему природа не ограничилась одним поколением фундаментальных фермионов (то есть кварков и лептонов), а создала целых три. Ее не устраняют даже теории Великого объединения, которые интегрируют фундаментальные взаимодействия, но не фундаментальные фермионы. Это так называемая семейная проблема, family problem. Быть может, ее со временем удастся разрешить на базе каких-то новых симметрий, которые могут быть описаны с помощью теории групп, но это отнюдь не гарантировано. Не исключено, что решение придет на основе предположения, что кварки и лептоны состоят из каких-то еще более фундаментальных частиц, но успех и тут вовсе не обязателен. В общем, сия семейная тайна велика есть. Этим замечанием я и ограничусь.

Обсуждались и обсуждаются другие способы как обновления СМ, так и поиска для нее эффективных альтернатив. Например, в конце 1970-х — начале 1980-х годов в качестве конкурента СМ была предложена теория суперсимметрии, которая уже упоминалась в девятой и четырнадцатой главах. Ее обсуждение уж точно не вмещается в эту книгу, поэтому остановлюсь на самой сути. Согласно этой теории, каждая частица Стандартной модели обладает так называемым суперпартнером. Он имеет тот же заряд и цвет, но подчиняется альтернативной статистике — иначе говоря, суперпартнер любого фермиона должен быть бозоном, а суперпартнер бозона — фермионом. Эта теория (точнее, обширный набор вытекающих из нее моделей) основана на очень элегантной математике и обещает много интересного. Например, некоторые комбинации суперпартнеров Z-бозона, фотона и хиггса вполне тянут на роль кандидатов в частицы темной материи. Однако за четыре десятилетия ни один суперпартнер так и не был обнаружен. Более того, эксперименты на БАК позволили отсеять десятки тысяч различных суперсимметричных моделей, и этот процесс продолжается. В общем, пока что суперсимметрия полностью не отвергнута, но ее перспективы не выглядят особо обнадеживающими.

Есть и более радикальная альтернатива СМ — теория суперструн. В ней вообще нет понятия точечных частиц, которые заменены одномерными объектами, квантовыми струнами. Безотносительно к тому, насколько она реалистична и может ли быть подтверждена наблюдениями, в книге с заголовком «Этюды о частицах» ей попросту нет места. На этом можно было бы поставить точку.

Однако я кое-что добавлю — просто для развлечения читателей. Вот очень занятный факт, который когда-то вызвал у меня подлинный эмоциональный шок. Во втором и третьем поколениях кварки с положительным зарядом (c-кварк и t-кварк) много массивней своих отрицательно заряженных партнеров s-кварка и b-кварка. А вот в первом поколении имеет место противоположный расклад: u-кварк легче d-кварка. Именно по этой причине протон (кварковая комбинация uud) несколько легче нейтрона (udd). Из-за этого свободному нейтрону энергетически выгодно претерпеть бета-распад и дать начало протону вкупе с электроном и электронным антинейтрино. Кстати, период полураспада свободного нейтрона невелик, всего 611 секунд. Будь протон массивней нейтрона, он бы столь же быстро превращался в нейтрон, позитрон и электронное нейтрино (напомню, что этот процесс называют обратным бета-распадом). В таком случае во Вселенной не было бы водорода, да и всей химии, какой мы ее знаем. Последствия, как я полагаю, понятны и без долгих объяснений. Так что в нашем мире водороду сильно повезло — ну и нам тоже, конечно. Вроде бы пустячок, а приятно.

Планы на будущее

Физика частиц свыше столетия была весьма динамичной областью науки о природе. И пусть в последние годы ее победное шествие несколько замедлилось, говорить о его прекращении никак не приходится. Об этом, в частности, свидетельсвует очередной доклад Комитета P5 (Particle Physics Project Prioritization Panel), опубликованный в США 7 декабря 2023 года. Этот документ содержит набросок десятилетней стратегии американских исследований субатомных частиц, охватывающей вторую половину нынешнего десятилетия и 2030-е годы. Его подписали 32 авторитетных специалиста в этой области физики, представляющих как американские, так и иностранные научные центры. Предшествующие доклады комитетов P5, которые тогда работали в другом составе, были обнародованы в мае 2014-го и в мае 2008 года.

Общий объем опубликованного текста приближается к 150 страницам (против восьми десятков в версии 2014 года). Несмотря на многочисленные повторы и смысловые пересечения, я не берусь его пересказывать, а затем еще и комментировать — на это потребовалось бы слишком много места. Поэтому сосредоточусь на целевых установках будущих исследований, как они определены в докладе.

Члены комитета Р5 идентифицировали три перспективных направления физики частиц, каждое из которых дополнительно разделено на две секции. На первое место они поставили задачу «дешифровки квантовой реальности», которая, в буквальном переводе с английского, распадается на «прояснение загадок нейтрино» и «выявление секретов бозона Хиггса». Вторая задача сформулирована как «изучение новых парадигм в физике», что означает «поиски прямых доказательств существования новых частиц» и «отслеживание квантовых отпечатков (quantum imprints) новых явлений». Третья цель несколько поэтически определена как «освещение (illumination) скрытой Вселенной», что включает «определение природы темной материи» и «понимание движущих факторов космической эволюции». Помимо этих главных задач, есть немало вспомогательных: например, инвестиции в укрепление кадровой базы исследований в области физики частиц и обновление ее вычислительной и технологической инфраструктуры на основе квантовой информатики, искусственного интеллекта и машинного обучения.

Авторы доклада особо акцентировали ряд конкретных проектов, которые, по их мнению, позволят добиться выполнения этих целей. В рамках первого направления они настоятельно рекомендуют продолжить и углубить участие США в международной программе значительного увеличения светимости Большого адронного коллайдера, которая должна сильно расширить его возможности по части производства уже известных массивных частиц и, возможно, открытия новых. Эта радикальная модернизация БАК создаст предпосылки для открытия и исследования взаимодействий между темной материей и бозоном Хиггса, а также для детектирования гипотетических суперсимметричных партнеров «обычных» частиц, которые описываются Стандартной моделью. В докладе также отмечается важность завершения работ по подготовке Глубинного нейтринного эксперимента (DUNE), который должен начаться около 2034 года. Измерения будут проводиться с помощью двух высокочувствительных детекторов нейтрино, расположенных на расстоянии 1300 км друг от друга. Один из них предстоит смонтировать вблизи 215-метрового линейного протонного ускорителя на 800 МэВ. Этот ускоритель, который будет действовать в качестве источника нейтрино, сейчас строится в Национальной лаборатории имени Ферми (Фермилабе) в Батавии, в штате Иллинойс. Второй детектор гораздо большего размера будет размещен более чем на километровой глубине в многофункциональной Сэнфордовской подземной исследовательской лаборатории, которая с 2008 года работает в бывшем золотом руднике Хоумстейк в штате Южная Дакота. Этот эксперимент может в полную силу начаться в первые годы следующего десятилетия и обойдется как минимум в три миллиарда долларов. Если он не обманет ожиданий своих инициаторов, то создаст принципиально новые возможности для исследования осцилляций нейтрино и получения новых данных о массе этих частиц, которая пока что в точности не известна. Полученная информация поможет в решении ряда фундаментальных проблем как собственно физики элементарных частиц, так и космологии.

Составители доклада рекомендуют обеспечить существенное участие США в международных проектах строительства ускорителей, способных производить большое количество бозонов Хиггса (так называемых фабриках хиггсов). Это Будущий кольцевой электронно-позитронный коллайдер (Future Circular Collider, FCC-ee) и Международный линейный коллайдер (International Linear Collider, ILC). Обе установки предназначены для разгона встречных пучков электронов и позитронов: в первом случае в круговом туннеле, во втором — в двух параллельных прямолинейных туннелях длиной не менее двадцати километров. Предполагается, что на первой стадии ILC обеспечит набор энергии порядка 250 ГэВ, но после модернизации этот порог будет повышен до 500 ГэВ, а со временем и до 1 ТэВ. Это означает, что максимальная энергия разгоняемых электронов и позитронов превысит аналогичный показатель для крупнейшего в мире Стэнфордского линейного ускорителя лептонов сначала в пять раз, затем в десять, а со временем, возможно, даже двадцатикратно. Поскольку масса бозона Хиггса равна приблизительно 125 ГэВ, уже первая очередь ILC сможет работать как фабрика хиггсов весьма высокой производительности. Столкновения электронов и позитронов достаточно больших энергий позволят генерировать хиггсы без фоновых эффектов, которые неизбежны при столкновениях протонов в Большом адронном коллайдере. Что касается кольцевого ускорителя FCC-ee, то для него рассматривается куда бóльшая энергия частиц в системе центра масс, доходящая до 100 ТэВ, но перспективы осуществления этого проекта сейчас достаточно туманны.

В докладе также кратко обсуждается возможность строительства ускорителей на встречных пучках разных типов, обеспечивающих энергию частиц в системе центра масс на уровне 10 ТэВ или выше. В качестве разгоняемых частиц могут быть выбраны мюоны, протоны, электроны с позитронами или даже гамма-кванты. Создание таких машин обещает открытие новых горизонтов для фундаментальной физики, однако оно потребует разработки целого ряда инновационных технологий, а следовательно, значительного времени и больших затрат.

Касаясь «высвечивания» темной Вселенной, эксперты панели Р5 акцентируют важность экспериментов по детектированию частиц темной материи. Космологи и астрофизики предлагают обширный набор теоретически приемлемых кандидатов на эту роль, включая, в частности, сверхлегкие аксионы и слабореагирующие массивные частицы (вимпы). Члены комитета в принципе считают необходимым разрабатывать и строить для поиска вимпов новое (третье) поколение детекторов, однако признают, что полномасштабная реализация этой цели может оказаться слишком затратной. В качестве минимально приемлемой программы они рекомендуют запуск (скорее всего, не ранее 2032 года) на территории США одного детектора третьего поколения стоимостью от 200 до 500 млн долл., предпочтительно с широким международным участием. Они также считают крайне желательным модернизацию антарктической нейтринной обсерватории Ice Cube, которая десятикратно повысит ее чувствительность. Оценочная стоимость этого проекта, который предполагается осуществить к 2034 году, приближается к 500 млн долл.

Кроме того, авторы доклада возлагают большие надежды на осуществление эксперимента CMB-S4, предназначенного для долговременного прецезионного картирования микроволнового реликтового излучения. Эта задача будет решаться с помощью двенадцати телескопов с апертурой вплоть до шести метров, установленных на Южном полюсе и в чилийской пустыне Атакама. На них будет установлено 550 тыс. сверхпроводящих детекторов, которые смогут работать в течение семи-десяти лет, начиная приблизительно с 2030 года. Успешное осуществление этого проекта, который, согласно сегодняшним оценкам, обойдется в 800–900 млн долл., даст огромный массив космологической и астрофизической информации. Она будет дополнена данными с новых крупных оптических обсерваторий, включая Обсерваторию имени Веры Рубин с 840-сантиметровым телескопом, который, как ожидается, увидит первый свет в начале 2025 года. Члены комитета также многого ждут от работы уникального спектрографа DESI, установленного на четырехметровом телескопе имени Николаса Майалла Национальной обсерватории Китт-Пик в штате Аризона. Он собирает информацию об оптических спектрах 35 млн галактик и почти 2,5 млн квазаров, возникших в течение первых трех миллиардов лет после Большого взрыва. Эти данные позволят уточнить темпы расширения космического пространства на разных этапах истории Вселенной и тем самым будут способствовать лучшему пониманию феномена темной энергии.

В докладе комитета Р5 также перечислено немало проектов экспериментов среднего и малого масштаба (стоимостью до 35 млн долл.), которые также могут способствовать реализации основных задач, сформулированных в его преамбуле. В целом доклад предлагает достаточно широкую долговременную перспективу будущих исследований в области физики частиц, астрофизики и космологии. Можно не сомневаться, что она будет детально обсуждаться как руководством Министерства энергетики США, которое в лице своего Консультативного комитета по физике высоких энергий (High Energy Physics Advisory Panel) является адресатом доклада, так и научными кругами. Вопрос о том, что именно и когда удастся осуществить, пока задавать преждевременно.

Этюды о частицах

Заключение

Вот закончена вся тема.

Наум Коржавин

Тема действительно закончена,
можно подбить итоги.

Стандартная модель элементарных частиц, великолепное творение Марри Гелл-Манна, Шелдона Глэшоу, Стивена Вайнберга, Абдуса Салама и еще целой плеяды блестящих ученых, имеет собственную область применения, очерченную определенными границами. СМ прекрасно описывает взаимодействия между кварками и лептонами на дистанциях порядка 10–17 м (1% диаметра протона), которые можно исследовать на современных ускорителях. Однако она буксует уже на расстояниях в 10–18 м и тем более не обеспечивает продвижения к планковскому масштабу. Так называется величина размерности длины, которую можно скомпоновать из трех фундаментальных констант нашего мира — постоянной тяготения, скорости света и постоянной Планка. Ее численное значение приблизительно равно 1,6162 × 10–35 м. Считается, что именно на этом пространственном масштабе все фундаментальные взаимодействия, включая гравитацию, сливаются в квантовом единстве.

Марри Гелл-Манн. Архив Фонда Нобеля
Марри Гелл-Манн. Архив Фонда Нобеля

В принципе, нет никаких оснований сомневаться, что на смену СМ когда-нибудь придет более полная теория, которая, скорее всего, тоже не станет последней и окончательной. Разумеется, никто не знает, когда это произойдет и произойдет ли вообще. Не исключено, что у теоретиков по большому счету пока мало или вообще нет разумных предложений по этой части, и мяч сейчас находится на поле экспериментаторов. В четырнадцатой и двадцать первой главах я кратко упомянул проект гигантской машины International Linear Collider, которую предполагают построить в Японии, но ее судьба совершенно неясна. Китайские физики несколько лет назад спроектировали гигантский кольцевой электронно-позитронный суперколлайдер, способный разгонять частицы до энергий столкновения порядка 240 ГэВ в системе центра масс. Согласно планам, его строительство начнется в провинции Хэфэй в 2026 году, а ввод в действие состоится пятью годами позже (конечно, если власти КНР оперативно профинансируют этот проект, который, по всем прогнозам, обойдется более чем в 5 млрд долл.). Такая машина предоставит небывалую возможность для получения тяжелых кварков, лептонов и бозонов Хиггса и исследования их взаимодействий. А это, в свою очередь, повысит шансы открытия физических эффектов вне рамок Стандартной модели. Более того, из некоторых суперсимметричных теорий следует, что массы наиболее легких суперпартнеров заряженных лептонов могут составлять около 100 ГэВ. Конечно, энергетические возможности БАК гораздо выше, но на нем такие частицы практически невозможно детектировать из-за фоновых эффектов. Электрон-позитронные столкновения дают гораздо меньше отходов, и с их помощью эти частицы обнаружить много легче.

В Институте физики высоких энергий Академии наук КНР уже обсуждается возможнось последующей реконструкции электрон-позитронного суперколлайдера в протон-протонный с суммарной энергией в системе центра масс порядка 100 ТэВ — в семь с лишним раз большей, нежели у БАК в его нынешней модификации. В России также существуют планы постройки мощного электрон-позитронного коллайдера в Новосибирске на базе Института ядерной физики имени Г. И. Будкера. Конечно, реальные шансы на воплощение этих машин в железе зависят от многих труднопредсказуемых факторов — и отнюдь не только финансовых. Особенно в наше, мягко говоря, непростое время. Было бы очень соблазнительно уверовать, что будущее светло и прекрасно, но лучше всё же проявить здоровый скептицизм и, как писал великий поэт Александр Галич, не верить ни в чистое небо, ни в улыбки сиятельных лиц (в том числе тех, кто распределяет фонды на научные исследования). И всё же очень хочется надеяться, что блистательный прогресс физики частиц, который сопровождал ее в течение последних десятилетий, не только не остановится, но и не слишком затормозится. Dixi!


1 avtor-kmk.ru/pages/showitem.php?id=953

2 Aaij R. et al. 2015. Observation of J=ψp Resonances Consistent with Pentaquark States in Λ0 b→J=ψK-p Decays // Physical Review Letters. Vol.115. Art.072001.

3 Adhicari D. et al. 2021. Accurate Determination of the Neutron Skin Thickness of 208Pb through Parity-Violation in Electron Scatteting // Physical Review Letters. Vol.126. Art.172502.

4 Khachatryan V. et al. 2015. Evidence for Collective Multiparticle Correlations in p-Pb Collisions // Physical Review Letters. Vol.115. Art.012301.

5 Atlas Collaboration: 2018. Observation of H→ b b ¯ decays and VH production with the ATLAS detector // Physics Letters B. Vol.796. P. 59–86.

CMS Collaboration: 2018. Observation of Higgs Boson Decay to Bottom Quarks // Physical Review Letters. Vol.121. Art.121801.

6 Georgi H., Glashow S. 1974. Unity of all elementary-particle forces // Physical Review Letters. Vol.32. P. 438–441.

7 Pati J. S., Salam A. 1974. Lepton number as the forth «color» // Physical Review D. Vol.10. No.1. P. 275–289.

8 Kolešová H., Malinský M. 2014. Proton lifetime in the minimal SO(10) GUT and its implications for the LHC // Physical Review D. Vol.90. Art.115001.

Подписаться
Уведомление о
guest

3 Комментария(-ев)
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
Alеx
Alеx
1 месяц назад

«можно допустить, что все они, или, по крайней мере, большинство, представляют собой чисто случайные следствия каких-то глубинных законов природы и/или конкретной истории нашей Вселенной. В таком случае проблема их объяснения вообще не возникает — достаточно покачать головой и сказать, что так уж устроен мир.»

Не совсем понятный вывод. Почему нельзя изучать глубинные законы природы и тем более конкретную историю нашей Вселенной? А покачать головой никогда не поздно и раньше можно было в любой момент на любом этапе.

Гипотеза дополнительных симметрий в группе большего размера кажется недостаточно безумной:)

Ричард
Ричард
1 месяц назад

«Он собирает информацию об оптических спектрах 35 млн галактик и почти 2,5 млн квазаров, возникших в течение первых трех миллиардов лет после Большого взрыва. Эти данные позволят уточнить темпы расширения космического пространства на разных этапах истории Вселенной и тем самым будут способствовать лучшему пониманию феномена темной энергии.»
А вышедший в январе первый каталог JWST не способствует?

res
res
1 месяц назад

Линейный е-е+ коллайдер на 10 ТэВ в СЦМ (можно и меньше ;)) самое то для исследования физики Хиггса.
Кто первый сделает, тот и вскроет все ошибки БАКа (там натяжек полно).

Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (5 оценок, среднее: 4,80 из 5)
Загрузка...