Тончайшее несовершенство, что порождает всё. Долгий путь частице Бога и Новая физика, которая изменит мир

Ложные тревоги будут сопровождать охоту на бозон Хиггса на протяжении десятилетий. Ну, а первое событие из этого ряда оказалось полезным в частности потому, что научный мир оценил всю важность будущего открытия. С этого момента следы бозона Хиггса начнут отслеживать во всех последующих экспериментах.

Властелины колец

Для открытия новых частиц необходим такой ускоритель, в котором они могут появляться. То есть такой, где возможны столкновения, энергия которых превышает массу искомых частиц. Что это за энергия, мы знаем из знаменитого соотношения эквивалентности энергии и массы Эйнштейна. Когда частицы одного пучка сталкиваются с частицами другого, энергия столкновения может превратиться в массу рождающихся при этом частиц, и чем больше энергия столкновения, тем более массивные частицы могут рождаться, тем ближе мы становимся к пониманию первых мгновений жизни Вселенной сразу после Большого взрыва. Отсюда и стремление строить все более мощные ускорители.

В качестве сталкивающихся частиц используются наиболее распространенные электрически заряженные частицы – электроны и протоны, а иногда и их античастицы – позитроны и антипротоны. Заряд необходим, поскольку они разгоняются и удерживаются внутри тоннеля ускорителя в соответствии с законами электромагнетизма. Очень сильные электрические поля создают ускорение, и энергия частиц растет, а сильные магнитные поля искривляют траектории ускоренных частиц, делая эти траектории круговыми.

В ускорителях первого типа используются электроны и позитроны; это точечные частицы, не обладающие размером. При лобовом столкновении они аннигилируют, то есть исходные частицы исчезают и их энергия полностью превращается в энергию рождающихся частиц. С экспериментальной точки зрения ситуация предельно ясна: новые частицы можно получать и изучать в условиях, максимально близких к идеальным. Однако недостаток электрон-позитронных ускорителей заключается в том, что они не позволяют добраться до достаточно высоких энергий. Эти частицы слишком легкие, и при движении по круговым траекториям значительная часть их энергии теряется в виде излучения; попросту говоря, они испускают особую разновидность электромагнитных волн, называемую синхротронным излучением.

Ускорители же, использующие протоны (или антипротоны), от этого избавлены. Поскольку эти частицы намного тяжелее электронов, их синхротронное излучение значительно меньше, а стало быть, можно достичь и куда более высоких энергий. Но, в отличие от электрона, у протона, состоящего из кварков и глюонов, конечные размеры и сложная пространственная структура. И процесс столкновений сильно усложняется.

Внутри протона в основном пустота. Если бы мы могли растянуть его до размеров комнаты, то области, в которых бы обнаруживалось вещество, занимали в ней лишь небольшой объем. И кварки внутри него, и глюоны, обмениваясь которыми кварки удерживаются вместе, оказались бы крупинками размером в несколько миллиметров. Поэтому неудивительно, что в подавляющем большинстве случаев при столкновении двух протонов не происходит ничего интересного: чаще всего они проходят по касательной друг к другу и выходят из столкновения целыми и невредимыми, лишь слегка отклонившись от своей траектории. Если же случается лобовое столкновение, то протоны разрушаются и часть их энергии уходит на образование новых частиц. В тех редчайших случаях, когда лобовое столкновение касается и тех крошечных зон, в которых сосредоточена материя кварков и глюонов, высвобождается максимум энергии, и именно в этих редчайших случаях образуются наиболее массивные частицы – в том числе, возможно, и невиданные ранее. Но поскольку к лобовому столкновению этих занятых кварками и глюонами зон приводит лишь очень малая часть сталкивающихся протонов, в среднем максимальная энергия каждого из них, которая может быть использована для рождения новых частиц, составляет лишь малую часть от полной энергии ускоренного протона.

Опыт последних десятилетий свидетельствует о том, что два основных типа ускорителей в некотором смысле дополняют друг друга. Электрон-позитронные – идеальный инструмент для тонких исследований, в которых нужна высокая точность, а протонные ускорители можно назвать ускорителями открытий: подобно тарану, они пробивают стены на энергетических границах, позволяя обнаруживать за ними все новые и новые частицы.

В обоих случаях энергия – это ключевой параметр. Во-первых, потому, что если ускоряемые частицы не добираются до определенного порога, то и нет никакой надежды на прямое получение искомых массивных частиц. Во-вторых, потому что вероятность получения массивных частиц в протонных коллайдерах сильно возрастает с увеличением энергии столкновений: чем она выше, тем больше будет нужных частиц. А чем больше будет частиц, тем яснее обозначатся каналы распада и характерные сигнатуры, которые приведут к регистрации наиболее четких сигналов и, возможно, позволят нам открыть нечто важное для понимания Вселенной.