Отягощенные Хиггсом

В Европейском центре ядерных исследований (CERN) в полном разгаре стройка века - сооружение Большого адронного коллайдера (LHC), сверхмощного ускорителя частиц. Новости из Швейцарии, где расположен CERN, приходят еженедельно, а сами сообщения выдержаны в стиле «славный трудовой подвиг». Физики-экспериментаторы собирают многочисленные детекторы, а теоретики накапливают отпуска, чтобы в 2007-м, когда коллайдер пустят, присутствовать лично

LHC во всем «самый». Самый большой, самый точный, самый мощный, самый дорогой - его строительство обойдется в $2,5 млрд. И достроить гигантский 27-километровый ускоритель планировали к нынешнему году, году столетия самого знаменитого физического открытия - теории относительности Эйнштейна. Не успели. Но по новостям со стройки ясно, что она уже вышла на финишную прямую.  В августе на суперускорителе был установлен тысячный большой магнит, в сентябре запустили компьютерную сеть для перекачки данных в 200 университетов мира, а на прошлой неделе в холостом режиме прогнали частицы по одному из малых колец ускорителя, попутно героически ликвидировав протечку в системе охлаждения большого кольца.

Для чего такая спешка? И вообще зачем нам, человечеству, эта дорогая и сложная игрушка? - такие вопросы «Огонек» задал академику РАН Валерию РУБАКОВУ (на фото), одному из ведущих теоретиков в физике частиц.

По большому счету, чтобы понять устройство мира, разобраться, из чего он сделан. Когда-то думали, что весь мир состоит из двух-трех типов частиц. До войны была модель атома Резерфорда: протон, вокруг него - электрон. В 30-е годы прошлого века ввели нейтрон, чтобы дополнить протон в ядре атома. Потом выяснилось, что элементарных кирпичиков материи гораздо больше.

После войны открыли новые частицы. В 60-е годы возникло понятие кварков - того, из чего частицы состоят. А в первой половине 70-х была сформулирована так называемая Стандартная модель.

Кто ее придумал?

Никакого конкретного автора у нее нет. Десятки людей работали. В общем виде она такая: есть кварки и есть их взаимодействия плюс есть электроны, нейтрино, их более тяжелые аналоги и их взаимодействия и есть три типа этих взаимодействий - электромагнитные, ядерные  и слабые; отдельно еще - гравитация.

Что-то у нас не мир получается, а набор «Сделай сам».

Почему?! Все это хозяйство между собой взаимодействует вполне закономерно. Вот кварки. У них три цвета - это такое название для их свойств; в привычном понимании, конечно, никакого цвета нет. Отдельно кварки существовать не могут, они должны соединиться и обесцветиться. Это делает, допустим, глюон. Он их держит, как пружина. Настолько сильная, что не дает цветным кваркам разлететься в разные стороны. Складываем три кварка в одном сочетании - получаем протон. В другом - нейтрон. Все проверено в экспериментах.

Вот я и спрашиваю: для чего же тогда строить дорогую установку, на которую все физики планеты молятся? Если все уже найдено?

Для того чтобы завершить Стандартную модель и начать исследовать то, что находится за ее пределами.

То есть модель не закончена?

Не хватает одного важного кирпичика - так называемого бозона Хиггса. Эта частица была предсказана, но ее пока не удалось обнаружить. И неизвестно, есть она или нет, а если есть, то какая.

Почему ее так важно найти?

Потому что это частица, которая делает массы всему остальному веществу. Сейчас ведь ситуация какая? Как это ни удивительно, но если отвлечься от того, что мы видим в природе, и попытаться с чистого листа написать теорию частиц, то большинство из них массы не будет иметь, если ее специально не придумывать. И они будут летать со скоростью света - электроны, мюоны, тяжелые частицы, отвечающие за слабые взаимодействия. То, что бывают частицы безмассовые, как свет, - это очень натурально!

Но у обычного вещества масса есть, это без всякой физики видно. А как она получается - непонятно. Почему эти частицы массивные? Почему вообще есть массивные частицы, непонятно.

И у вас, значит, надежда на бозон Хиггса. Он что, как-то прицепляется к другим частицам и делает их тяжелыми?

Не совсем. Мы думаем, что есть какое-то новое поле. Хиггсовское. Оно пронизывает все на свете, как море. Рябь над этим морем - те самые хиггсовские бозоны. А мы плаваем в этом море и за счет взаимодействия с «водой» - полем Хиггса - становимся массивными. Мы проталкиваемся сквозь эту «воду», и она нас тормозит. Это пока гипотеза, для ее подтверждения и нужно обнаружить эту частицу. Если наше представление правильное, что отнюдь не обязательно, то эта частица должна рождаться на суперколлайдере. На предыдущих ускорителях этого не получилось.

Рождаться?

Ну да. По аналогии с морем: чтобы появилась рябь, нужно воду как-то взволновать. То есть приложить энергию. А в ускорителе мы получаем энергию на микроуровне: сталкиваем пучки заряженных частиц. Ускоритель - это кольцо, там в трубе высокий вакуум, куда вбрасываются заряженные частицы, протоны. Их разгоняют почти до скорости света, ускоряют, у них появляется большая энергия. А потом частицы сталкивают лоб в лоб. В месте встречи будут детекторы, так что мы ожидаем увидеть след хиггсовского бозона. Но наверняка все окажется серьезнее, чем мы ждем. Потому что, чем больше энергия удара, тем глубже можно забраться в устройство мира.

Вы расчитываете найти в нем нечто принципиально новое?

Совершенно верно. Новые частицы, новые симметрии, новые взаимодействия. Все где-то там должно быть, при высоких энергиях. Есть даже термин для этого - «новая физика». То, что находится за пределами Стандартной модели. Частиц будет открыто гораздо больше, чем сейчас известно. В частности, мы рассчитываем обнаружить частицы темной материи. Это вещество, которое не видно, оно очень слабо с нашим обычным веществом взаимодействует. И проявляется только гравитационным образом - по притяжению. Но эта материя составляет основную массу вещества во Вселенной. Нашего светящегося вещества в ней 4 - 5%, остальное - именно темная материя! Эти частицы пронизывают все вокруг, но пока их никто не наблюдал. Считается, что они образовались еще в очень молодой Вселенной. В возрасте меньше секунды после Большого взрыва. Понимая, как они устроены, мы в общем-то много можем сказать про устройство материи и развитие Вселенной вообще.

Или еще есть другая возможность того, что будет открыто на новом ускорителе. Те частицы, которые мы считаем элементарными, могут оказаться и не элементарными вовсе! Электрон, например. В каком-то смысле - совсем не в таком, к какому мы сейчас привыкли, - они могут оказаться составными частицами… Понимаете, трудно предсказать, на что новая физика выйдет. Я вам говорю только о самых ближайших перспективах - скажем, на 5 - 10  лет.

А не ожидается ли наряду с открытиями и закрытия каких-то теорий? Например, квантовой механики.

Квантовую механику закрыть невозможно. Но я понимаю, откуда ваш вопрос. В квантовой механике есть одна капитальная проблема. Она была поставлена сразу и до сих пор висит - это проблема измерения. Ну, например, вы ставите эксперимент с частицами, с электронами. Стрелка прибора показывает определенное число. Квантовая механика вам предскажет только вероятность того, какое это число будет. Техника вычислений отработана до мелочей, но как объяснить, почему в каждом конкретном эксперименте стрелка прибора останавливается в определенном месте - до сих пор непонятно.

Так, может быть, новая физика даст ответ? Найдут частицы с новыми, другими свойствами…

Не думаю, что это произойдет сейчас. Если фантазировать, то у этих частиц свойства должны быть ну совершенно не похожи на все то, что мы видим. Но в принципе… Это трудно себе представить, но не исключено, что на еще более глубоком уровне есть законы, которые отличаются от законов квантовой механики так же, как квантовая механика от макромира. Но в рамках того, что называют «новой физикой», я бы о таких перспективах не говорил.

Хорошо. Тогда, вероятно, среди перспектив найдется какая-нибудь конкретная польза?

Для народного хозяйства? Не знаю. Может быть, из-за того, что мы только гипотезы строим. Пока народ, может быть, и спекулирует на тему «как бы замечательно было что-нибудь пригодное для технологии обнаружить», но рано об этом говорить.

Новые поля, другие энергии могут дать новую энергетику. Ведь до сих пор использовалось все, что физика обнаружила.

Нет, не очевидно это. Пока ускорители энергию едят. А как с помощью этих полей энергию получать - неизвестно. Не исключено, что это вообще будет бесполезно. Но понимание природы - само по себе большая ценность.