После перерыва, продолжавшегося более трех лет, Большой адронный коллайдер вновь начинает работу. В связи с этим Naked Science подготовил материал об открытиях, сделанных на ускорителях в прошлом, и о том, какие перспективы открывает перед нами БАК.
Большой адронный коллайдер возвращается к работе. Более трех лет крупнейший и самый мощный ускоритель в истории прошел через этапы технического обслуживания и модернизации. Сейчас инженеры последовательно восстанавливают его работоспособность. Окончательное возвращение ускорителя в строй запланировано на это лето. Это позволит начать четвертый цикл экспериментов за всю его историю. Предыдущий цикл проводился в 2010–2012 годах, а после модернизации — в период с 2015 по 2018 год.
Большой адронный коллайдер используется для ускорения пучков протонов и их направления друг на друга. Подавляющее большинство частиц рассеивается, что и следовало ожидать: вероятность столкновения протона с протоном крайне мала. Однако, некоторые протоны все же взаимодействуют. В результате этих столкновений образуются различные новые частицы. Анализ того, какие частицы и с какой частотой возникают, позволяет ученым лучше понимать законы, управляющие элементарными частицами.
Ключевым параметром ускорителя является энергия столкновений. С увеличением энергии сталкивающихся частиц возрастает масса образующихся в результате взаимодействия частиц (энергия преобразуется в массу согласно известной формуле E = mc 2). И новая модернизация позволила увеличить энергию столкновений протонов до рекордных 13,6 тераэлектронвольта.
Светимость ускорителя также является критически важным параметром. Она представляет собой число столкновений частиц, происходящих на единицу площади сечения ускорителя в секунду. Более высокая светимость позволяет физикам регистрировать большее количество событий и, как следствие, получать больше данных.
Модернизация оказалась полезной и в данном случае. Предполагается, что детекторы ATLAS и CMS во время третьего «прогона» зафиксируют больше столкновений, чем в процессе предыдущих двух вместе взятых. Число событий на детекторе LHCb вырастет втрое по сравнению с предыдущими запусками. А количество столкновений тяжелых ионов в эксперименте ALICE увеличится в 50 раз. Кроме того, в строй вступят новые детекторы — FASER и SND@LHC, — разработанные с целью выявления явлений, несовместимых с положениями Стандартной модели.
Что представляет собой Стандартная модель и почему ученые стремятся к ее расширению? Рассмотрим этот вопрос более детально.
Ускоритель познания
Все в окружающем мире построено из элементарных частиц. Любой процесс, от рукопожатия до ядерного взрыва, в конечном счете является результатом взаимодействия между частицами. Какие элементарные частицы встречаются в природе? Как они взаимодействуют? Почему они обладают такими свойствами? Физики стремятся найти полные и окончательные ответы на эти вопросы.
С самого детства, еще в школе, мы знаем о частях, из которых состоит атом: электронах, протонах и нейтронах. Однако это лишь малая часть того, что существует. В действительности, в природе гораздо больше частиц. На сегодняшний день их открыто более 200. Большинство элементарных частиц нестабильны и существуют крайне короткое время, всего доли секунды. Для понимания фундаментальных законов физики элементарных частиц недостаточно изучать лишь стабильные частицы, такие как электрон или протон. Это сопоставимо с попыткой понять все аспекты биосферы Земли, ограничиваясь изучением только древних секвой.
Для проведения экспериментов физикам необходима установка, генерирующая нестабильные частицы. Такие установки существуют и известны как ускорители. В них стабильные частицы, как правило, протоны или электроны, разгоняются и сталкиваются между собой или с неподвижной мишенью. В результате этих столкновений образуются короткоживущие частицы.
При достаточно высокой скорости, если два автомобиля движутся навстречу друг другу, они разрушатся. В мире элементарных частиц действует иная логика: при столкновении возникает образование новых частиц. Важно отметить, что это не означает, что столкнувшиеся протоны состояли из этих частиц. Если бы автомобили были элементарными частицами, результатом столкновения двух «Москвичей» стали бы не летящие в разные стороны бамперы и крылья, а, скажем, новенький «Бэнтли» и пара мотоциклов. Звучит странно, но это факт.
Как мы уже отмечали ранее, количество образующихся частиц определяется энергией столкновений. В свою очередь, энергия сталкивающихся частиц в основном определяется их скоростью. Для эффективного разгона частиц необходим мощный ускоритель.
В начале 1930-х годов были созданы первые ускорители, после чего началась стремительная гонка за их увеличением, которая длилась десятилетия. Каждый новый этап этой гонки сопровождался открытием множества ранее неизвестных частиц.
С течением времени физиков стало несколько озадачивать постоянно возрастающее число новых частиц, регистрируемых на ускорителях и в космических лучах. Возникла необходимость выявить закономерности в этом многообразии, аналогично тому, как таблица Менделеева раскрыла стройный принцип, лежащий в основе кажущегося беспорядочным множеством химических соединений.
Эта система была разработана и испытана на протяжении двух выдающихся десятилетий — 1960-х и 1970-х годов. Далее мы расскажем о захватывающей истории того времени, когда открытия были значительными, а ускорители – компактными.
Загадка четырех сил
Отойдем от классификации частиц и рассмотрим силы, которые действуют между ними. Еще в 1930-х годах физики выявили четыре типа взаимодействия между элементарными частицами: электромагнитное, гравитационное, сильное и слабое. Любое воздействие, которое испытывает объект, является результатом одного из этих фундаментальных взаимодействий. Без какого-либо из них было бы невозможно образование планет, звезд и возникновение жизни.
Без электромагнитного взаимодействия не сформировались бы атомы, поскольку электроны не были бы притянуты к ядру. Более того, именно это взаимодействие обуславливает силы трения и упругости (благодаря которым мы не проваливаемся сквозь пол), все химические реакции, включая те, что происходят в живых клетках, излучение света и многие другие процессы. А без гравитации не возникло бы ни галактик, ни звезд, ни планет: это единственная сила, удерживающая вместе такие массивные объекты.
Мощное взаимодействие обеспечивает удержание протонов и нейтронов внутри атомного ядра, преодолевая электрическое отталкивание между протонами. Если бы оно отсутствовало, не существовало бы никаких химических элементов, за исключением водорода, включая те, из которых состоят наши тела. Однако, и слабое взаимодействие сыграло ключевую роль, поскольку именно оно обеспечило возможность ядерных реакций, в результате которых из первичного водорода образовалась вся периодическая таблица элементов.
Эти четыре фундаментальные силы существенно различаются. К примеру, электромагнитное и гравитационное взаимодействия действуют на любом расстоянии, в то время как сильное и слабое — только на очень коротких расстояниях, сопоставимых с размерами атома. Кроме того, взаимодействия характеризуются избирательностью в отношении того, какие частицы могут в них участвовать. В электромагнитном взаимодействии задействованы только частицы, обладающие зарядом, в гравитационном — частицы, имеющие массу, в сильном — частицы, несущие так называемый «цвет» (не имеющие отношения к цвету в обычном понимании). А в слабом взаимодействии участвуют все частицы, за исключением частиц-переносчиков других взаимодействий (фотонов, глюонов и гипотетических гравитонов).
Интенсивность этих взаимодействий также существенно различается. Сильное взаимодействие, как следует из названия, обладает наибольшей мощностью. Благодаря этому оно преодолевает электрическое отталкивание протонов и, к счастью для нас, удерживает их внутри атомного ядра. Электромагнитное взаимодействие занимает второе место по силе и значительно слабее сильного. На третьем месте находится слабое взаимодействие, которое еще более слабое, на несколько порядков. Гравитационное взаимодействие замыкает список — его мощность настолько мала, что нам вряд ли когда-нибудь удастся измерить тяготение между двумя отдельными частицами. Оно проявляется только при объединении огромных масс вещества.
Четыре фундаментальные силы, формирующие наш мир, кажутся столь же несхожими, как банан, пингвин, айсберг и наручники. Похоже, что их выбрали случайным образом из огромной массы всего сущего. Такое сочетание трудно представить как основу мироздания. Вероятно, три слона выглядели бы более уместно: они хотя бы были бы похожи друг на друга.
Возможно, это торжество хаоса — лишь иллюзия? А если за внешней непохожестью скрывается такая симметрия и красота, что они кажутся закономерными? Заранее, предвидя вопросы, отметим, что так и есть – во всяком случае, в определенной степени. Определенная часть этой гармоничной картины уже нам знакома, а о другой мы можем строить предположения… и питать надежды.
Несмотря на это, у первопроходцев было достаточно дел и без размышлений о подобных философских вопросах. До 1960-х годов у исследователей отсутствовала рабочая теория, описывающая как сильное, так и слабое взаимодействие. Они формулировали конкретные вопросы, требующие числового ответа (например, какова вероятность превращения частицы А в частицу В), но не имели возможности рассчитать решение.
Инвентаризация зоопарка
Частицы, взаимодействующие посредством сильного взаимодействия, известны как адроны. Поскольку адронами являются подавляющее большинство известных нам частиц, включая протоны и нейтроны, изучение их свойств представляется наиболее логичным началом.
В начале 1960-х годов Мюррей Гелл-Манн и Юваль Неэман выявили закономерности в большом количестве известных адронов. Их работа напоминала таблицу Менделеева, относящуюся к частицам. Вскоре стало ясно, что эта схожесть имеет более глубокий смысл.
Положение элемента в периодической таблице зависит от количества протонов в его атоме (а также электронов, поскольку их число всегда совпадает). Невероятно, но более сотни различных химических элементов образуются путем последовательного увеличения числа протонов в ядре. Гелл-Манн и независимо от него Джордж Цвейг пришли к выводу, что внутреннее строение определяет закономерности в свойствах адронов.
Было высказано предположение, что адроны формируются из более фундаментальных частиц — кварков. Существует шесть типов кварков, и характеристики всех адронов зависят от их состава (а также от состояния этих кварков). Оказалось, что адроны являются «элементарными, но не самыми элементарными» частицами. Множество адронов объясняется различными комбинациями шести кварков. Это значительно упростило понимание устройства мира.
Рассматривая адроны как некий «конструктор лего», состоящий из кварков-деталей, ученые предсказали существование новых адронов, которые еще не были открыты. Первые из них были вскоре успешно обнаружены, что стало причиной присуждения Нобелевской премии по физике 1969 года Муриэлю Гелл-Манну. Экспериментаторы продолжают открывать новые адроны (это и является ключевой задачей Большого адронного коллайдера). Но все они формируются из одних и тех же кварков и согласно одинаковым принципам.
Следует отметить, что кварки являются составными частями только адронов, но не всех частиц. Электроны, нейтрино и другие подобные частицы, известные как лептоны, не состоят из кварков и не взаимодействуют посредством сильного взаимодействия.
Изучая адроны и кварки, теоретики разработали, а экспериментаторы подтвердили теорию сильного взаимодействия — квантовую хромодинамику. Согласно ей, сильное взаимодействие осуществляется посредством обмена особыми частицами — глюонами. На основе полученных данных ученые сформулировали уравнения, описывающие поведение глюонов и кварков. Благодаря этому знания о сильном взаимодействии оформились в целостную систему, которая до сих пор используется физиками.
Преодолевая слабость
В тот же период времени ученые-теоретики занимались изучением слабого взаимодействия. Стивен Вайнберг стремился разработать теорию слабых сил, опираясь на принципы, используемые в теории электромагнитного взаимодействия (квантовой электродинамике). Эта последняя была создана еще в 1930-е годы.
Вайнберг не ограничился созданием теории слабых взаимодействий, его вклад оказался гораздо шире. Исследуя параллели между слабым и электромагнитным взаимодействием, физик неожиданно пришел к выводу, что эти силы являются проявлениями одного и того же явления. При температурах выше 10 15 (при температуре в (тысяча триллионов) градусов эти силы становятся неотличимы. Так же, при таких условиях перестают различаться такие разные частицы, как электрон (обладающий электрическим зарядом и, следовательно, участвующий в электромагнитном взаимодействии) и нейтрино (нейтральная частица, что отражено в ее названии). При данных температурах нейтрино и электрон можно рассматривать как единую частицу. Иные частицы также формируют пары, которые объединяются при температуре, превышающей пороговую (например, u-кварк перестает отличаться от d-кварка).
Теорию, описывающую слабые взаимодействия и демонстрирующую их связь с электромагнитными силами, называют теорией электрослабых сил. В 1967 году она была завершена Вайнбергом. Через год пакистанский физик Абдус Салам независимо разработал практически идентичную теорию, а Шелдон Глэшоу ранее исследовал некоторые ее элементы. Экспериментальные подтверждения этой новой теории появились вскоре, и в 1979 году все трое ученых были удостоены Нобелевской премии.
Маленькие гиганты большой физики
Многие значимые открытия были сделаны с использованием ускорителей, относительно небольших по современным стандартам. Так, важные подтверждения электрослабой теории были получены на Протонном синхротроне, его длина составляет всего 628 метров. А одно из ключевых подтверждений теории Гелл-Манна, а именно открытие c-кварка, стало возможным благодаря Синхротрону с переменным градиентом длиной 806 метров. История творилась на установках, значительно уступающих по размерам Большому адронному коллайдеру. Это поистине удивительная эпоха.
Эти устройства не смогли подтвердить одно из важнейших прогнозов электрослабой теории. Так же, как электромагнитное взаимодействие опосредуется фотонами, а сильное — глюонами, слабое взаимодействие должно быть связано с частицами-переносчиками. Существуют две такие частицы: W-бозон и Z-бозон (при этом W-бозонов существует два: с положительным и отрицательным зарядом, однако они являются античастицами друг друга и, следовательно, обладают одинаковой массой и другими характеристиками).
Для образования более массивной частицы требуется больше энергии (E = mc 2, и даже стометровые установки не позволили бы достичь энергий, необходимых для рождения W- и Z-бозонов. Эти частицы были открыты в 1983 году с помощью Протонного суперсинхротрона (Super Proton Synchrotron), который имел длину семь километров.
Отсюда уже не так уж далеко до БАК и его 27-километровому кольцу. Для проверки новых прогнозов, основанных на гениальных теориях, разработанных в 1960-1970-е годы, требовались значительные усилия. Однако это вполне объяснимо: когда наиболее очевидные результаты уже получены, остаются лишь самые сложные задачи.
Теория Вайнберга, Салама и Глэшоу получила дальнейшее подтверждение, однако в ней сохранялся нерешенный вопрос. Ранее мы отмечали, что при достижении определенной температуры слабое взаимодействие становится неразличимым от электромагнитного. С позиций электрослабой теории это не представляется чем-то необычным, поскольку она описывает обе силы с помощью одних и тех же уравнений.
Напротив, подлинная сложность заключается в том, чтобы понять, почему возникают взаимодействия начинают различаться, когда температура достигает критической отметки, что происходит? Ответ был предложен Питером Хиггсом в 1964 году. Если опустить сложные объяснения, то его гипотеза предполагала наличие бозона Хиггса — ключевого элемента электрослабой теории, третьего из трех фундаментальных бозонов.
Стандартная модель позволяла предсказать все характеристики этой частицы, за исключением её массы. Массу, в свою очередь, необходимо было определить экспериментально и включить в теоретическую модель. Поиски бозона Хиггса велись на протяжении десятилетий с использованием всё более мощных ускорителей. Однако, он не был найден, и ученые предполагали, что его масса превышает первоначальные оценки. Лишь Большой адронный коллайдер смог совершить это долгожданное открытие. Об этом прорыве заявили в 2012 году, спустя 48 лет после публикации работ Хиггса. Выяснилось, что бозон Хиггса обладает массой, превышающей массу протона более чем в 130 раз. Поэтому неудивительно, что ускорители 1980-х и 1990-х годов оказались неспособны обнаружить его.
Упрощение мира
Электрослабая теория и квантовая хромодинамика объединяются в Стандартную модель физики элементарных частиц, которая является основополагающей теорией, описывающей устройство большей части известной нам Вселенной. В ней всего в настоящее время известно 24 фундаментальные частицы, если не учитывать античастицы. Эти частицы не имеют внутренней структуры и не состоят из более мелких компонентов, что делает их истинно элементарными. В перечень входят 12 частиц вещества: шесть кварков и шесть лептонов, включая электрон, мюон, тау-лептон и три типа нейтрино. Кроме того, 12 частиц – фотон, W-бозон, Z-бозон, гравитон и восемь разновидностей глюонов – отвечают за передачу взаимодействий: электромагнитного, слабого, гравитационного и сильного. Так сложился «зоопарк» из двух сотен элементарных частиц, большая часть которых, как выяснилось, не являются элементарными в полном смысле этого слова.
Благодаря Стандартной модели физический мир предстал в неожиданно стройном виде. Огромное количество разрозненных фактов удалось систематизировать в лаконичный перечень частиц и работающие теории, описывающие три из четырех фундаментальных взаимодействий. К сожалению, разработать адекватную квантовую теорию четвертого – гравитационного – взаимодействия пока не удалось. Более того, два взаимодействия – электромагнитное и слабое – оказались объединены в единую систему. Независимо от будущих открытий и выявления еще более глубоких закономерностей, Стандартная модель не утратит своей значимости, подобно таблице Менделеева или закону всемирного тяготения.
Теория мечты
Физики всегда стремятся к более глубокому пониманию мира. Объединение электромагнитного и слабого взаимодействия дало надежду на объединение всех четырех фундаментальных сил. Идеальная картина такова: не четыре отдельные и необычные силы, а симметричные грани, образующие прекрасный кристалл. Для этого необходимо, как минимум, разработать квантовую теорию гравитации. Было бы желательно, чтобы новая теория позволяла выводить те параметры, которые в Стандартную модель вводятся как заданные (например, масса и заряд электрона и других фундаментальных частиц). Тогда ее можно будет с полным правом назвать теорией всего.
Теории, объединяющие электрослабые и сильные взаимодействия, известны как теории великого объединения. Это не Стандартная модель, а ее расширения, которые еще не получили экспериментального подтверждения. Как убедиться в их справедливости? Задача решается довольно просто: необходимо обнаружить частицы, масса которых превышает массу протона в 10 раз 15 (тысячу триллионов) раз. Для достижения этой цели с использованием размера ускорителя необходимо кольцо длиной с орбиту Марса. Для объединения трех известных взаимодействий с гравитационным, возможно, потребуется ускоритель размером с Галактику. На данный момент, самым впечатляющим достижением современной науки является Большой адронный коллайдер, протяженность которого составляет 27 километров, однако этого недостаточно для достижения необходимого масштаба.
Успешный и лучший
Не стоит недооценивать Большой адронный коллайдер, ведь это чрезвычайно успешный проект. Благодаря ему ученые смогли подтвердить множество предсказаний Стандартной модели, которые невозможно было проверить на менее мощных установках. Среди этих подтвержденных прогнозов — открытие множества новых частиц. В частности, на Большом адронном коллайдере было обнаружено 59 адронов.
Создатели этой масштабной установки, разумеется, стремились превзойти существующие теории, разработанные в период создания стометровых ускорителей. Что может быть привлекательнее, чем получение данных, которые выходят за пределы Стандартной модели и требуют ее пересмотра?
Пока эта мечта не сбылась. Вообще, получены любопытные результаты есть, возникают новые данные, однако пока неясно, повлияют ли они на существующие теории. Вместо этого, некоторые теоретические дополнения к Стандартной модели оказались несостоятельными.
Что ж, есть основания для гордости за теоретиков. Стандартная модель успешно объясняет данные, которые значительно расширяют ее первоначальные рамки. Это можно считать величайшим достижением для научной теории. Неудачные модели требуют постоянной корректировки при появлении новых фактов. Но, как отмечают экспериментаторы, как же хочется новой эры открытий!
Третья фаза модернизации Большого адронного коллайдера, вероятно, откроет возможности для исследований в области новой физики. После ее завершения предполагается трансформация БАК в Большой адронный коллайдер высокой светимости (HL-LHC). Это приведет к значительному увеличению числа сталкивающихся частиц, что позволит обнаружить редкие, экзотические взаимодействия — при условии их существования.
В планах ЦЕРН значится строительство Будущего кругового коллайдера (Future Circular Collider) с длиной 100 километров, запуск которого запланирован на 2040 год. Для реализации этого проекта Большой адронный коллайдер (БАК) будет использоваться в качестве вспомогательного кольца. Ранее, для БАК вспомогательным кольцом служил Протонный суперсинхротрон, который стал «первооткрывателем» W- и Z-бозонов.
Умный в гору не пойдет?
Хотя есть вероятность вывести из расширений Стандартной модели проверяемые следствия, даже без использования ускорителей. Например, некоторые теории великого объединения предполагают, что протоны со временем распадаются, хотя их среднее время жизни кажется невероятно большим. Если использовать достаточно большое количество вещества, в нем наверняка окажутся протоны, которые распадатся в данный момент. Такие эксперименты пока не дали положительных результатов, но нельзя исключать такую возможность…
Существует вероятность, что в будущем мы полностью пересмотрим концепцию ускорителей. Энергия, выделяемая при столкновениях на Большом адронном коллайдере, велика лишь в контексте элементарных частиц. На самом деле, муха, выполняя одно отжимание от пола, затратила бы примерно такую же энергию.
Задача состоит в том, чтобы сконцентрировать всю эту энергию в одном протоне, размер которого меньше толщины ноги мухи, причем во столько раз, во сколько раз муха меньше Солнца. На данный момент не найдено более эффективного способа добиться этого, кроме как направлять этот протон, переживший немало испытаний, в электромагнитном поле по протяженному туннелю. Данный метод используется уже почти столетие, и с тех пор туннели стали длиннее, поля – мощнее, а оборудование – совершеннее.
Неужели прогресс заключается исключительно в увеличении масштабов существующих решений? Зачем впрягать в повозку двести лошадей, когда целесообразнее использовать грузовик? Можно и кольцо размером с орбиту Марса захотеть, но разумнее будет разработать более эффективное решение. Это вызов для физиков XXI века. В случае успеха, теория мечты может превратиться в теорию реальности – в полном смысле этого слова.