Основы реальности. 10 фундаментальных принципов устройства Вселенной

Когда какие-то явления в природе нас озадачивают или противоречат нашим знаниям, мы можем, как рыбка Ньютон, представить себе идеальный мир, а затем попытаться встроить в него свой. Эта стратегия и привела к современному пониманию слабого взаимодействия.

Среда, усложняющая понимание слабого взаимодействия, называется конденсатом Хиггса в честь Питера Хиггса — шотландского физика, который внес важный вклад в эту гипотезу[114]. Впервые эту среду ввели как теоретический элемент для получения более красивых уравнений. Похожий прием использовала и рыбка Ньютон.

Удалив конденсат Хиггса, мы сможем построить теорию слабого взаимодействия, очень похожую на наши теории сильного и электромагнитного взаимодействий. В этом воображаемом мире переносчиками слабого взаимодействия являются аналоги глюонов и фотонов — W- и Z-бозоны. Они реагируют на два новых вида заряда — назовем их слабым зарядом A и слабым зарядом B — и изменяют их. A и B похожи на три цветных заряда квантовой хромодинамики и один электрический заряд квантовой электродинамики, но в то же время отличаются от них. Слабое взаимодействие — и только оно — может преобразовать единицу заряда типа A в единицу заряда типа B и, соответственно (поскольку частицы определяются своими свойствами), превратить один вид частиц в другой. В этом, как мы теперь лучше понимаем, и заключается природа преобразующей силы слабого взаимодействия.

Причина, по которой нам необходимо ввести конденсат Хиггса, такова: в реальном мире мы обнаруживаем, что W- и Z-бозоны, в отличие от глюонов или фотонов, имеют ненулевую массу. Чтобы завершить аналогию с электродинамикой и теорией сильных взаимодействий и получить такие же красивые уравнения, мы должны ввести среду, которая бы их замедляла.

Такая теория слабого взаимодействия сформировалась в 1960-х годах. В 1970-х начали накапливаться экспериментальные свидетельства в ее пользу, и в конечном счете они убедили всех. Но один большой вопрос остался без ответа: из чего же состоит эта важнейшая вездесущая и всепроникающая среда — конденсат Хиггса? Люди дали много умозрительных ответов. Некоторые считали, что он сделан из нескольких различных частиц, для объяснения которых нужно вводить новые силы или даже новые измерения пространства. Но самая простая и осторожная гипотеза вводила всего одну новую частицу — частицу Хиггса. Важно было проверить, использует ли природа этот простейший вариант.

Как мы ищем его

Если у конденсата Хиггса только один ингредиент, мы можем многое сказать о нем. Грубо говоря, если эта частица представляет собой часть (квант) конденсата, вопрос в том, насколько она велика. Таким образом, свойства и поведение частицы Хиггса можно предсказать, узнав ее массу. Поставив такую цель, экспериментаторы смогли спланировать стратегию «охоты» на частицу Хиггса. Они делали это, имея вполне определенные представления о том, что ищут и как это распознать.

Чтобы «поймать» частицу Хиггса, нужно сделать две вещи: создать несколько таких частиц и получить доказательства их мимолетного существования. Оба шага очень сложны. Чтобы создавать тяжелые элементарные частицы, вы должны сконцентрировать в очень маленьком объеме большую энергию. Это делается на ускорителях, где пучки быстро движущихся протонов (или других частиц[115]) сталкиваются с материалом мишеней или друг с другом. Несколько лет до 2012 года поиски частиц Хиггса велись путем экспериментов, где концентрация энергии все время наращивалась, но тщетно. Теперь, оглядываясь назад, мы знаем: энергии нам все равно не хватало. И наконец, появился Большой адронный коллайдер, или БАК.

БАК представляет собой круглый подземный туннель длиной около двадцати семи километров. Он прорыт в сельской местности на территории Франции и Швейцарии. В рабочем режиме БАК два узких пучка протонов мчатся в противоположных направлениях внутри проложенной через туннель трубы. Двигаясь почти со скоростью света, протоны совершают одиннадцать тысяч оборотов в секунду.

Пучки пересекаются в четырех точках. Сталкивается только небольшая часть протонов, но это все равно составляет почти миллиард столкновений в секунду. Вся эта огневая мощь создает концентрацию энергии, необходимую для образования частиц Хиггса.

Следующая задача — обнаружить их. В точках пересечения пучков расположены огромные высокотехнологичные детекторы. Один из них — ATLAS — более чем в два раза превышает Парфенон. Детекторы измеряют энергии, заряды и массы частиц, возникающих в результате столкновений, а также определяют направления их движения. Они передают всю эту информацию со скоростью 25 миллионов гигабайт в год во Всемирную сеть, которая связывает тысячи суперкомпьютеров. Ее сбор необходим по следующим причинам.

• События сложные. Обычно из каждой частицы образуется десять или более других.

• Лишь в небольшом количестве событий — менее чем в одном на миллиард — участвуют частицы Хиггса.