Вся физика в 15 уравнениях
Шрифт:
Таким образом, было устранено основное препятствие, и построена Стандартная модель вслед за эволюцией ускорителей частиц: некоторые уже известные частицы были гармонично включены в эту структуру (мюоны, нейтрино). Следом последовало открытие других частиц, таких как кварки, из которых состоят протоны и нейтроны, а затем еще несколько новых типов кварков, которые каждый раз красиво находили свое место в структуре модели. В 1984 г. частицу Z0 обнаружили в ЦЕРНе, а в 1995 г. последний и самый массивный кварк Стандартной модели был идентифицирован в лаборатории Ферми неподалеку от Чикаго.
Охота на Хиггса
Но
Уже в 1984 г. несколько десятков физиков провели семинар в Лозанне, чтобы обсудить nocт-LEP-эру: почему бы не смонтировать в том же туннеле протон-протонный коллайдер, БАК, который и заменит LEP, и сможет позволить достичь гораздо более высоких энергий? Пусть даже ускоритель LEP и откроет Хиггса, все равно БАК поможет лучше изучить его свойства в Стандартной модели. Если этого и не произойдет, то БАК, обладая достаточной энергией, чтобы охватить весь возможный диапазон масс, почти наверняка позволит обнаружить бозон Хиггса, если тот действительно существует.
Так как я являлся аспирантом (в 1984 г. защищал диссертацию), то смог присутствовать на том самом семинаре. Атмосфера действительно была восторженной и творческой, но я не могу сказать, что мы по-настоящему верили, что БАК будет построен… Мы тогда только начинали осознавать огромные проблемы, связанные с разработкой и реализацией столь мощного проекта. Как на стороне ускорителя, так и на стороне детекторов, которые будут построены для наблюдения этих столкновений, технологии должны были стать намного совершеннее, чем ноу-хау того времени. От магнитного поля и точности детекторов к скорости электроники и количеству данных, что необходимо обрабатывать, и т. д. Нами было сделано всего лишь несколько предварительных оценок нерешенных на тот момент проблем, и каждый раз результат выглядел ужасающим. Однако если присмотреться повнимательнее и учесть вполне предсказуемый технологический прогресс, то почему бы и нет?
Яркое подтверждение
Остальное уже хорошо известно: десятилетие инженерного проектирования и дипломатии, чтобы убедить глав государств — членов ЦЕРНа и некоторых других стран; затем еще одно десятилетие строительства в ЦЕРНе и в большом количестве лабораторий во всем мире. И вот в 2008 г. на ускорителе БАК был наконец-то получен первый пучок. А в 2011 и 2012 гг. после столь суматошного запуска ускоритель и эксперименты на нем достигли высокого уровня производительности. У команд появилась возможность для активных поисков бозона Хиггса при многочисленных столкновениях протонов.
4 июля 2012 г. (важная дата для США[65]!), после более чем 20-летней подготовительной и всего лишь 2-летней работы БАКа, директора ЦЕРНа призвали к проведению внеочередного семинара в Большом зале под названием «Поиск бозона Хиггса на БАКе в экспериментах ATLAS и CMS». ATLAS и CMS — это две большие коллаборации (каждая включает около 3000 физиков), которые используют два огромных детектора, расположенных в двух противоположных точках вдоль кольца БАКа и в которых, собственно, и происходят столкновения протонов. Их сотрудники независимы и даже являются конкурентами, а полученные ими предварительные
Как и все мои коллеги из ATLAS, я знал результат, который доложит наш представитель Фабиола Джанотти[66], но не владел информацией, что скажет Джои Инкандела[67] из CMS. Только генеральному директору ЦЕРНа и обоим представителям коллабораций были заранее известны все результаты. Анализ данных, проведенный непосредственно нашей коллаборацией, подтвердил существование новой частицы, которая действительно очень напоминала бозон Хиггса. Мы могли бы предполагать, что раз такой семинар организован с приглашением представителей прессы и делегатов государств-членов, то и нашими конкурентами также получен положительный результат. Когда мы вошли в аудиторию, Питер Хиггс и Франсуа Энглерт, приглашенные ЦЕРНом[68], уже находились там. Но будут ли эти два результата совместимы? Для нас, специалистов, было важно, каковы в деталях доказательства, полученные другой коллаборацией, если таковые имеются. Мы были готовы сравнить каждый зафиксированный распад, каждое число с тем, что получили в наитруднейшем эксперименте.
Джои почти целый час представлял доклад о результатах CMS. После него Фабиола доложила о тех результатах, которые получила ATLAS. Зал наполнился долго нескончаемыми аплодисментами, а мы отправились на пресс-конференцию, после завершения которой каждого из нас, представлявшего ту или иную страну, журналисты попросили прокомментировать произошедшее. Это продолжалось еще в течение нескольких часов.
Ближе к вечеру у меня появилась возможность остаться наедине с самим собой и, немного расслабившись, отдохнуть в тихом месте. Я вновь находился в состоянии замешательства и как бы пограничном состоянии сознания из-за явной нехватки сна после всех дней и ночей, отданных для того, чтобы подвергнуть тщательному анализу полученные данные. Мне вспомнился первый визит в ЦЕРН, те самые дыры в бетоне. Мы вновь оказались здесь в 2012 г., и бозон Хиггса, изобретенный теоретиками в 1964 г., теперь был экспериментально подтвержден. Его масса составляла 125 ГэВ, что примерно в 130 раз больше массы протона. Теперь я мог спокойно идти спать.
Эпилог
Ограничения Стандартной модели… и физика будущего
Стандартная модель была завершена экспериментальным подтверждением существования бозона Хиггса. Питер Хиггс и Франсуа Энглерт в 1993 г. получили Нобелевскую премию. Но приключения на этом не закончились.
Фактически я кое-что ранее недосказал: лагранжиан, показанный в предыдущей главе, — это всего лишь шаблон для Стандартной модели. На практике данная модель содержит множество произвольных параметров и несколько случайных ограничений. Потому ее полный лагранжиан выглядит примерно как формула, что приведена на следующей странице[69]!
Выше же показано уравнение, о котором все физики могут пока только мечтать: идеально обтекаемое, с нулевыми свободными параметрами, «уравнение всего сущего» в некотором смысле. Как вы можете видеть, мы все еще довольно далеки от этого с нашей Стандартной моделью!
Неужели стандартная?
Прежде чем очертить ее ограничения, хотелось бы вернуться к самому названию «Стандартная модель». Это выражение интересно, потому что говорит о науке в самых разных смыслах. Она становится глобальной, поскольку все физики в мире используют один и тот же формализм, одни и те же обозначения. Они договорились, что определенная теория является общей для всех и что она объясняет экспериментальные измерения, выполненные до настоящего времени.