В честь нового запуска БАК: как физики разобрали Вселенную на шестеренки

Большой адронный коллайдер возвращается к работе. Самый большой и мощный ускоритель в истории более трех лет находился на техобслуживании и модернизации. Теперь инженеры поэтапно «оживляют» его. Гигант окончательно вернется в строй этим летом. Тогда начнется четырехлетний цикл экспериментов, уже третий в истории ускорителя. Первый цикл пришелся на 2010-2012 годы, а второй, после модернизации, — на 2015-2018-е.

Большой адронный коллайдер разгоняет пучки протонов и направляет их навстречу друг другу. Почти все частицы уходят «в молоко», и немудрено: задача попасть протоном в протон сложнее, чем сбить пулей пулю. Но некоторая часть протонов все же сталкивается друг с другом. В этих столкновениях рождаются разнообразные новые частицы. Наблюдая, что именно и как часто образуется, ученые постигают законы физики элементарных частиц.

Важнейшая характеристика ускорителя — энергия столкновений. Чем больше энергия сталкивающихся частиц, тем более массивные частицы возникнут в результате удара (энергия переходит в массу по знаменитой формуле E = mc2). И новая модернизация довела энергию столкновений протонов до рекордных 13,6 тераэлектронвольта.

Другая важнейшая величина — светимость ускорителя. Это количество столкновений частиц на квадратный сантиметр сечения ускорителя в секунду. Чем выше светимость, тем больше событий зарегистрируют физики и тем больше информации получат.

Модернизация помогла и здесь. Ожидается, 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, — специально предназначенные для поиска явлений, не укладывающихся в Стандартную модель.

Кстати, что это за Стандартная модель, почему ученые так хотят вырваться за ее пределы? Поговорим об этом подробнее.

Ускоритель познания

Все на свете состоит из элементарных частиц. Любой процесс — будь то рукопожатие или ядерный взрыв — в конце концов сводится к взаимодействию между частицами. Какие элементарные частицы существуют в природе? Как они взаимодействуют между собой? Почему они такие, какие есть? Получить исчерпывающие и окончательные ответы на эти вопросы — голубая мечта физиков.

Со школьной скамьи нам знакомы частицы, составляющие атом: электроны, протоны и нейтроны. Но это только вершина айсберга. На самом деле, в природе гораздо больше частиц. На сегодня их открыто более 200. Подавляющее большинство частиц — короткоживущие: однажды возникнув, они существуют лишь ничтожные доли секунды. Но нечего и думать разобраться в общих законах физики элементарных частиц, исследуя только частицы-долгожители вроде электрона или протона. Это все равно что пытаться постичь все тайны биосферы Земли, изучая лишь тысячелетние секвойи.

Значит, физикам для экспериментов нужна «фабрика», производящая короткоживущие частицы. И такие фабрики есть: они называются ускорителями. В них стабильные частицы (обычно протоны или электроны) разгоняются и сталкиваются друг с другом либо с неподвижной мишенью. В этих столкновениях и рождаются короткоживущие частицы.

Если хорошо разогнать два автомобиля и послать их навстречу друг другу, они разлетятся на части. В мире элементарных частиц другие законы: столкновение приводит к рождению новых частиц. Подчеркнем: это не значит, 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 упоминали, масса рождающихся частиц зависит от энергии столкновений. Энергия же сталкивающихся частиц зависит прежде всего от их скорости. А чтобы хорошо разогнать частицу, нужен большой ускоритель.

Первые действующие ускорители появились в начале 1930-х, и началась гонка за их размером, продолжавшаяся десятилетиями. Каждый новый этап в ней означал множество свежеоткрытых частиц.

Со временем число новых частиц, которые обнаруживались на ускорителях и в космических лучах, стало даже несколько беспокоить физиков. Требовалось отыскать в этом хаосе систему, подобно тому, как таблица Менделеева выразила изящный закон, стоящий за сбивающим с толку разнообразием химических веществ.

И эта система была найдена и проверена в два легендарных десятилетия — 1960-е и 1970-е годы. Ниже мы расскажем удивительную историю эпохи, когда открытия были большими, а ускорители — маленькими.

Загадка четырех сил

Отвлечемся пока от классификации частиц и посмотрим, какие силы действуют между ними. Уже в 1930-х физики знали, что есть четыре взаимодействия между элементарными частицами: электромагнитное, гравитационное, сильное и слабое. Любая сила, действующая на любой объект, сводится к какому-нибудь из этих фундаментальных взаимодействий. И без любого из них было бы невозможно существование планет, звезд и живых существ.

Например, без электромагнитного взаимодействия не было бы атомов, ведь электроны не притягивались бы к ядру. Кроме того, это взаимодействие отвечает за силы трения и упругости (благодаря последним мы не проваливаемся сквозь пол), все химические реакции (в том числе происходящие в живой клетке), излучение света и многие другие явления. А без гравитации не существовало бы галактик, звезд и планет: это единственная сила, скрепляющая воедино такие громадные объекты.

Сильное же взаимодействие удерживает протоны и нейтроны в ядре атома, несмотря на электрическое отталкивание протонов. Без него не существовало бы никаких химических элементов, кроме водорода, в том числе тех, из которых состоят наши тела. Но их не было бы и без слабого взаимодействия, поскольку только благодаря ему стали возможны ядерные реакции, создавшие всю таблицу Менделеева из первичного водорода.

При этом четыре фундаментальные силы вызывающе непохожи друг на друга. Например, электромагнитная и гравитационная действуют на любых расстояниях, а сильная и слабая — лишь на очень маленьких (меньше атома). Взаимодействия еще очень избирательны в том, каким частицам дозволяется в них участвовать. В электромагнитном участвуют исключительно частицы, имеющие заряд, в гравитационном — имеющие массу, в сильном — имеющие так называемый цвет (не имеющий никакого отношения к цвету в обычном понимании). А в слабом — вообще все, кроме частиц — переносчиков других взаимодействий (фотонов, глюонов и гипотетических гравитонов).

Мощь этих взаимодействий тоже весьма разнообразна. Сильное взаимодействие — сообразно названию, самое сильное. Именно поэтому оно пересиливает электрическое отталкивание протонов и, на наше счастье, удерживает их в ядре атома. На втором месте — электромагнитное взаимодействие, которое гораздо слабее. На третьем — слабое, которое слабее еще на несколько порядков. И замыкает список гравитационное — такое маломощное, что вряд ли мы когда-нибудь сможем измерить тяготение между двумя отдельными частицами. Оно становится заметным, только когда вместе собираются астрономические массы вещества.

В общем, четыре силы, определяющие облик нашего мира, похожи друг на друга примерно как банан, пингвин, айсберг и наручники. Кажется, их просто выхватили наугад из огромного ящика, в котором было свалено в кучу все на свете. Не это ожидаешь обнаружить в основании мира. Пожалуй, три слона выглядели бы пристойнее: они хотя бы одинаковые.

Но, возможно, это торжество хаоса — кажущееся? А если за внешней непохожестью скрывается такая симметрия и красота, что она кажется неизбежной? Забегая вперед, скажем, что так и есть, — по крайней мере, отчасти. Часть этой красивой гармоничной картины нам уже известна, а об остальном мы можем догадываться… и надеяться.

Впрочем, первооткрывателям хватало работы даже без этих метафизических вопросов. До 1960-х у исследователей просто не было рабочей теории ни сильного, ни слабого взаимодействия. Они задавали четкие количественные вопросы (например, с какой вероятностью частица А превратится в частицу В) и не знали, как вычислить ответ.

Прогресс в физике частиц уже почти столетие связан со строительством все более масштабных ускорителей. /(с)CERN.

Инвентаризация зоопарка

Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, называются адронами. Подавляющее большинство известных нам частиц (в том числе протоны и нейтроны) — как раз адроны, так что естественно начать разгребать авгиевы конюшни именно с них.

В начале 1960-х Мюррей Гелл-Манн и Юваль Неэман разглядели скрытый порядок в нагромождении известных к тому времени адронов. Получилось нечто вроде таблицы Менделеева для частиц. И вскоре выяснилось, что эта аналогия глубже, чем кажется.

Место элемента в таблице Менделеева определяется тем, сколько в его атоме протонов (или, если хотите, электронов — их ведь всегда поровну). Удивительно, что больше сотни таких разных химических элементов получаются просто последовательным добавлением в ядро еще одного протона. Гелл-Манн и независимо от него Джордж Цвейг поняли, что за закономерностями в свойствах адронов тоже стоит их внутреннее строение.

Они предположили, что адроны состоят из еще более мелких частиц — кварков. Есть всего шесть видов кварков, и свойства всех адронов определяются тем, из каких именно кварков они состоят (а также тем, в каком состоянии находятся эти кварки). Адроны оказались «элементарными, но не самыми элементарными частицами». Разнообразие десятков адронов свелось к перетасовке шести кварков. Мир стал заметно проще.

Взглянув на адроны как на «конструктор лего» с деталями-кварками, теоретики собрали на кончике пера несколько новых, еще не открытых адронов. Первые из них вскоре были успешно обнаружены, что принесло Гелл-Манну Нобелевскую премию по физике 1969 года. Экспериментаторы до сих пор открывают новые адроны (это и есть основная деятельность Большого адронного коллайдера). Но все они построены из тех же кварков по одним и тем же принципам.

Подчеркнем, впрочем, что из кварков состоят только адроны, а не все частицы. Электроны, нейтрино и некоторые другие гордецы (у них есть общее название — лептоны) из кварков не состоят и в сильном взаимодействии не участвуют.

Разбираясь с адронами и кварками, теоретики построили, а экспериментаторы проверили теорию сильного взаимодействия — квантовую хромодинамику. Оказалось, сильное взаимодействие — это обмен особыми частицами (глюонами). Ученые вывели формулы, которым подчиняются глюоны и кварки. Знания о сильном взаимодействии превратились из нагромождения разрозненных фактов в стройную систему, которой физики пользуются и в наши дни.

Преодолевая слабость

В те же годы теоретики бились над загадками слабого взаимодействия. Стивен Вайнберг пытался построить теорию слабых сил по аналогии с теорией электромагнитных (квантовой электродинамикой). Последняя была создана еще в 1930-е годы.

В результате Вайнберг не просто построил теорию слабых взаимодействий, а сделал много больше. Глубоко погрузившись в аналогии между слабой и электромагнитной силой, физик внезапно обнаружил, что эти две силы — стороны одной медали. При температурах выше 1015 (тысяча триллионов) градусов эти силы перестают отличаться друг от друга. Равно как перестают отличаться друг от друга такие разные частицы, как электрон (электрически заряженный и, значит, участвующий в электромагнитном взаимодействии) и нейтрино (сообразно названию, нейтральное). При таких температурах нейтрино и электрон можно считать одной и той же частицей. Другие частицы тоже образуют пары, которые сливаются при температуре выше пороговой (например, u-кварк перестает отличаться от d-кварка).

Эту теорию, которая объяснила слабые взаимодействия и заодно выявила их скрытое единство с электромагнитными, называют теорией электрослабых сил. Вайнберг завершил ее в 1967-м. Через год практически такую же теорию независимо построил пакистанский физик Абдус Салам, а некоторые ее аспекты ранее разработал Шелдон Глэшоу. Первые экспериментальные подтверждения новой теории появились очень быстро, так что в 1979 году троица первооткрывателей получила Нобелевскую премию.

Маленькие гиганты большой физики

Все эти эпохальные открытия совершены на очень небольших по нынешним меркам ускорителях. Например, важное подтверждение электрослабой теории получили на Протонном синхротроне (Proton Synchrotron) длиной всего 628 метров. А одно из решающих подтверждений теории Гелл-Манна — открытие c-кварка — состоялось благодаря Синхротрону с переменным градиентом (Alternating Gradient Synchrotron) длиной 806 метров. На установках, которые в десятки раз меньше БАК, творилась история. Воистину эпоха чудес.

Но одно из ключевых предсказаний электрослабой теории оказалось не по зубам этим устройствам. Подобно тому, как электромагнитное взаимодействие переносится фотонами, а сильное — глюонами, у слабого взаимодействия тоже должны быть частицы-переносчики. Их две: W-бозон и Z-бозон (вообще, W-бозонов два: положительно и отрицательно заряженный, но они являются античастицами друг друга, так что имеют одинаковую массу и другие параметры).

Чем тяжелее частица, тем больше нужно энергии, чтобы она родилась (E = mc2, помните?). И стометровые установки не могли достичь энергий рождения W- и Z-бозонов. Эти частицы открыли в 1983 году благодаря Протонному суперсинхротрону (Super Proton Synchrotron) длиной семь километров.

Заметим, отсюда уже не так далеко до БАК с его 27-километровым кольцом. Проверка все новых предсказаний гениальных теорий, созданных в 1960-1970-е, требовала уже серьезных усилий. Впрочем, ничего удивительного: когда низко висящие плоды сорваны, остаются лишь висящие высоко.

Теория Вайнберга, Салама и Глэшоу снова была блестяще подтверждена, но в ней оставался нерешенный вопрос. Мы упоминали, что выше некоторого порога температуры слабое взаимодействие неотличимо от электромагнитного. С точки зрения электрослабой теории в этом нет ничего удивительного: она описывает обе силы одними и теми же уравнениями.

Напротив, по-настоящему трудный вопрос состоит в том, почему взаимодействия начинают различаться, когда температура опускается ниже роковой отметки? Ответ предложил Питер Хиггс в 1964 году. Не вдаваясь в детали, скажем, что его гипотеза требовала существования бозона Хиггса — третьего из трех заветных бозонов электрослабой теории.

Стандартная модель предсказала все параметры этой частицы, кроме массы. Массу, напротив, нужно было измерить в эксперименте и заложить в теорию. Бозон Хиггса десятилетиями искали на все более мощных ускорителях. Не находили и разводили руками: мол, похоже, он еще тяжелее, чем мы думали. Долгожданное открытие оказалось под силу лишь БАК. О прорыве объявили в 2012 году, через 48 лет после публикации Хиггса. Оказалось, бозон Хиггса тяжелее протона более чем в 130 раз. Неудивительно, что ускорители 1980-х и 1990-х не справились с его поиском.

Упрощение мира

Электрослабая теория вместе с квантовой хромодинамикой составляет Стандартную модель физики элементарных частиц — главную теорию того, как устроено почти все на свете. В ней всего 24 фундаментальные частицы (не считая античастиц). Они не состоят ни из каких еще более мелких частей, то есть истинно элементарные. В этом списке — 12 частиц вещества: шесть кварков и шесть лептонов (электрон, мюон, тау-лептон и три вида нейтрино). Еще 12 частиц — фотон, W-бозон, Z-бозон, гравитон и восемь видов глюонов — переносят взаимодействия: электромагнитное, слабое, гравитационное и сильное соответственно. Вот к чему свелся зоопарк из двух сотен элементарных частиц, почти все из которых на поверку оказались не такими уж элементарными.

С созданием Стандартной модели мир стал удивительно изящным. Необъятная груда обрывочных фактов сменилась экономным списком частиц и работающими теориями трех из четырех взаимодействий (увы, построить удовлетворительную квантовую теорию четвертого — гравитационного — пока никому не удалось). Причем два из них — электромагнитное и слабое — даже объединились в одно. Какие бы открытия ни случились в будущем, какой бы новый, еще более глубокий порядок вещей ни был открыт, Стандартная модель не потеряет своего значения, как не теряет его таблица Менделеева или закон всемирного тяготения.

Теория мечты

Однако физики всегда стремятся продвинуться дальше в понимании мира. Объединение двух полей — электромагнитного и слабого — породило надежды на объединение всех четырех. Вот чем должны быть по-настоящему фундаментальные силы: не четырьмя причудливыми диковинами, а симметричными гранями прекрасного кристалла. Конечно, для этого нужно как минимум построить квантовую теорию гравитации. И хорошо бы, чтобы из новой теории еще выводились те параметры, которые в Стандартную модель закладываются как входные (например, масса и заряд электрона и других фундаментальных частиц). Тогда ее с полным правом можно будет назвать теорией всего.

Теории, объединяющие электрослабое и сильное взаимодействия, называются теориями великого объединения. Это уже не Стандартная модель, а ее непроверенные расширения. Как их проверить? Проще простого: нужно получить частицы, которые тяжелее протона в 1015 (тысячу триллионов) раз. Чтобы достичь этого за счет размера ускорителя, требуется кольцо длиной с орбиту Марса. А чтобы к трем взаимодействиям присоединилось четвертое — гравитационное, — возможно, понадобится и ускоритель величиной с Галактику. Пока же краса и гордость современной науки — 27-километровый БАК, что несколько недотягивает до нужного масштаба.

Кольцо проектируемого 100-километрового коллайдера FCC на карте / (с) CERN

Успешный и лучший

Впрочем, пренебрежение к Большому адронному коллайдеру неуместно: это сверхуспешный проект. С его помощью экспериментаторы подтвердили многие предсказания Стандартной модели, которые не поддавались проверке на меньших установках. В числе этих сбывшихся прогнозов — обнаружение десятков новых частиц. Одних только адронов на Большом адронном коллайдере открыто 59 штук.

Но создатели гигантской установки, конечно, надеялись выйти за рамки теорий, созданных в эпоху стометровых ускорителей. Получить данные, не укладывающиеся в Стандартную модель и взывающие к ее расширению, — что может быть заманчивее?

Пока эта мечта не сбылась. Вообще, некоторые интригующие результаты есть, но совсем свежие. Пока не ясно, действительно ли они потребуют пересмотра теорий. Наоборот, некоторые из теоретических расширений Стандартной модели были опровергнуты.

Что ж, у человечества есть повод гордиться своими теоретиками. Стандартная модель объясняет данные, далеко выходящие за рамки тех, по которым ее когда-то создавали. Для научной теории это и есть наиуспешный успех в успехе. Только плохие модели приходится подгонять под каждый свежий факт. Но — вздыхают экспериментаторы — как же хочется новой эпохи открытий!

Возможно, третья «сессия» БАК, наконец, позволит вырваться на просторы новой физики. А по ее завершении планируют превратить БАК в Большой адронный коллайдер высокой светимости (High Luminosity Large Hadron Collider, или HL-LHC).  Количество сталкивающихся частиц при этом резко увеличится. Это поможет выловить редкие экзотические процессы — если они, конечно, есть.

В планах ЦЕРН уже маячит 100-километровый Будущий круговой коллайдер (Future Circular Collider), который намерены запустить в 2040 году. Нынешний рекордсмен БАК станет для этого колосса лишь вспомогательным кольцом. Так для самого БАК вспомогательным кольцом стал семикилометровый Протонный суперсинхротрон, гордый «первооткрыватель» W- и Z-бозонов.

Умный в гору не пойдет?

Впрочем, есть надежда вывести из расширений Стандартной модели следствия, которые можно проверить и без ускорителей. Например, некоторые из теорий великого объединения утверждают, что протоны со временем распадаются, просто их среднее время жизни необычайно велико. Но если взять достаточно большую массу вещества, в ней найдется несколько протонов, которые распадутся прямо сейчас. Пока такие эксперименты не увенчались успехом, но кто знает…

А главное — не исключено, что когда-нибудь мы вообще откажемся от ускорителей в нынешнем понимании. Энергия столкновений на том же БАК велика лишь по меркам элементарных частиц. Вообще-то примерно такую энергию потратила бы муха, сделав отжимание от пола.

Фокус в том, чтобы сосредоточить всю эту энергию в отдельном протоне, который тоньше ноги мухи во столько же раз, во сколько раз она сама меньше Солнца. Пока мы не нашли лучшего способа это сделать, чем гонять многострадальный протон в электромагнитном поле по длинному туннелю. Этому подходу уже без малого сотня лет, разве что туннели становятся длиннее, поля — мощнее, а аппаратура — совершеннее.

Но разве прогресс возможен лишь на пути «давайте сделаем то же самое, но больше»? Можно хотеть впрячь в повозку двести лошадей, хотя лучше обзавестись грузовиком. Кольцо размером с орбиту Марса тоже можно хотеть, но лучше все-таки придумать что-нибудь поэффективнее. Это задача для физиков XXI века. Если они справятся с ней, теория мечты, возможно, станет теорией реальности — во всех смыслах слова.