Не положит ли Нобелевская премия за бозон Хиггса конец физике элементарных частиц?

Нобелевская премия по физике за 2013 год присуждена Франсуа Энглеру (François Englert) и Питеру Хиггсу (Peter Higgs) за работу по объяснению того, почему элементарные частицы обретают массу. Эти ученые предсказали существование элементарной частицы бозон Хиггса, что было подтверждено в прошлом году в ходе экспериментов на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРНе (Европейский центр ядерных исследований).

Но за сегодняшними торжествами скрывается растущая обеспокоенность в рядах физиков. Открытие бозона Хиггса — это несомненный триумф, однако, многие отмечают, что оно ничуть не приблизило нас к ответам на самые тревожные и непростые вопросы фундаментальной науки.

Один известный физик даже заявил мне, что его «совершенно не порадовало открытие бозона Хиггса». Довольно нетипичная реакция, однако, это открытие грозит закрыть целую главу в физике 20-го века, не дав при этом и намека на то, как приступить к написанию следующей.

До июля прошлого года, когда работавшие на Большом адронном коллайдере физики объявили о своем открытии, бозон Хиггса оставался последним недостающим звеном Стандартной модели в физике элементарных частиц, которая с поразительной точностью описывает все частицы, составляющие наш мир. Стандартная модель блестяще выдержала все испытания и эксперименты, которым ее подвергали, и, тем не менее, в ней остаются некоторые вызывающие большое смущение прорехи.


По данным астрономических измерений, описанная Стандартной моделью материя, из которой состоят звезды, планеты, да и мы сами, в конце концов, является лишь ничтожно малой частью вселенной. Мы как тонкий слой пены, плавающей на поверхности невидимого океана темной материи и темной энергии, о которых нам почти ничего не известно.

Еще хуже то, что согласно Стандартной модели, мы вообще не должны существовать. Теория говорит о том, что после Большого взрыва равные количества материи и антиматерии должны были уничтожить друг друга, создав во вселенной абсолютную пустоту.

В связи с этим возникают солидные научные основания для сомнений в том, что Стандартная модель — это конец истории, когда речь идет о законах физики. Но есть и другой, эстетический принцип, заставляющий многих физиков сомневаться в полноте этой модели. Это принцип «естественности».




Стандартную модель считают очень «неестественной» теорией. В ней большое количество различных частиц и сил, многие из которых кажутся лишними, и кроме того, в этой модели очень ненадежный баланс. Если хотя бы немного изменить любую из 20 с небольшим цифр, составляющих эту теорию, то мы сразу обнаружим, что живем во вселенной без атомов. Столь призрачная настройка равновесия тревожит многих физиков, и у них возникает впечатление, что вселенная была организована как раз таким образом, чтобы в ней могла существовать жизнь.


Бозон Хиггса дает нам один из худших случаев такой неестественной точной настройки. Неожиданным открытием 20-го века стало то, что пустое пространство на самом деле отнюдь не пустое. В действительности вакуум представляет собой кипящий суп из невидимых «виртуальных» частиц, которые то появляются, то исчезают.

Согласно общепринятой точке зрения, когда бозон Хиггса проходит через вакуум, он взаимодействует с этим супом из виртуальных частиц, и такое взаимодействие увеличивает его массу до совершенно невероятных значений. Она может стать в сотни миллионов миллиардов раз больше той, что была измерена на Большом адронном коллайдере.

Теоретики попытались укротить непослушную массу бозона Хиггса, предложив расширить Стандартную модель. Самым популярным стал тезис о «суперсимметрии», которым вводится понятие частиц-суперпартнеров обычных частиц, гораздо более тяжелых по сравнению с обычными частицами Стандартной модели. Эти суперчастицы сводят на нет эффект виртуальных частиц в вакууме, уменьшая массу бозона Хиггса до разумных значений и устраняя необходимость какой бы то ни было неприятной точной настройки.


У гипотезы суперсимметрии есть и другие черты, сделавшие ее популярной среди физиков. Пожалуй, самое привлекательное в ней то, что одна из суперчастиц дает изящное объяснение таинственной темной материи, которая составляет около четверти вселенной.

Хотя открытие бозона Хиггса выдвигалось в качестве главного довода в пользу строительства Большого адронного коллайдера длиной 27 километров, большинство физиков на самом деле ждали от него чего-то нового. Сам Хиггс сказал в прошлом году вскоре после открытия бозона: «Бозон Хиггса — это еще не самое интересное, что ищет БАК».

Но пока коллайдер ничего не нашел.

Если суперсимметрия — это действительно главная причина малой массы бозона Хиггса, то суперчастицы должны появляться на таком энергетическом уровне, который гораздо выше уровня обнаружения бозона на Большом адронном коллайдере. То, что он ничего не обнаружил, уже привело к исключению многих популярных форм суперсимметрии.

По этой причине некоторые теоретики полностью отказались от принципа естественности. В одной относительно новой модели, известной под названием «расщепленная суперсимметрия», признается точная настройка в массе бозона Хиггса, но отрицаются другие свойства суперсимметрии, такие как частица темной материи.




Это может показаться несущественным отличием, однако последствия для природы нашей вселенной здесь огромны. Суть аргументации сводится к тому, что мы живем в точно настроенной и выверенной вселенной, потому что она одна из бесконечного множества других, очень разных вселенных, у каждой из которых свои физические законы. Фундаментальные константы природы являются таковыми, потому что если бы они различались, то атомы не смогли бы сформироваться — а следовательно, не было бы и нас с нашими вопросами.


Этот относящийся к человеку и к человечеству довод отчасти вызван развитием теории струн, которая может быть «теорией всего». Она предполагает существование огромного множества (примерно 10500) различных вселенных с разными законами физики. (Столь большое количество вселенных зачастую дает повод для критики теории струн, которую порой насмешливо называют «теорией всего прочего», поскольку никто пока не нашел решения, соответствующего той вселенной, в которой живем мы.) Тем не менее, если модель расщепленной суперсимметрии соответствует действительности, то отсутствие новостей с БАК может косвенно свидетельствовать о существовании той самой мультивселенной, о которой говорит теория струн.

Все это не предвещает ничего хорошего Большому адронному коллайдеру. Если битва за естественность проиграна, то нет никаких оснований для появления в ближайшие годы новых частиц. Некоторые физики настаивают на строительстве нового коллайдера, который должен быть в четыре раза длиннее и в семь раз мощнее, чем действующий.

С помощью этого коллайдера-монстра данный вопрос можно будет решить раз и навсегда. Но трудно себе представить, как можно получить зеленый свет на его строительство, особенно если БАК так и не найдет ничего, кроме бозона Хиггса.


Итак, мы оказались на важном перепутье в физике элементарных частиц. Возможно, когда БАК в 2015 году опять заработает, он откроет новые частицы, принцип естественности сохранит свое существование, а физики сохранят свою работу. Основания для оптимизма есть. В конце концов, мы знаем, что должно существовать нечто новое, объясняющее темную материю, и есть немало шансов на то, что БАК это нечто отыщет.


Но вдруг БАК ничего не найдет? Тогда бозон Хиггса может стать лебединой песней физики элементарных частиц, последней частицей из эпохи ускорителей. Это весьма тревожная перспектива для экспериментаторов, но такой результат может привести к колоссальным изменениям в наших представлениях о вселенной и о нашем месте в ней.

Перевод: ИноСМИ