Конец всего. 5 сценариев гибели Вселенной с точки зрения астрофизики - Кэти Мак

Сам по себе кампус ЦЕРН ничем не примечателен. Выйдя из сверкающего вестибюля общественной приемной, вы попадете на территорию промышленного предприятия, заполненную множеством невысоких однотипных зданий 1960-х годов с темными металлическими ставнями на окнах. Каждое пронумерованное здание занято лабораторией или исследовательской группой, двери офисов снабжены временными бумажными табличками с именами постоянно меняющихся научных сотрудников. Во всем кампусе едва ли наберется более ста постоянных сотрудников ЦЕРН. Помимо них в лабораториях и офисах центра работают тысячи исследователей со всего мира, проводящих там от недели до нескольких лет в рамках реализации масштабных экспериментов. Проходя по длинным тускло освещенным коридорам, вы можете подумать, что находитесь не в самом известном из мировых экспериментальных центров, а в здании физического факультета обычного университета и наблюдаете, как аспиранты и докторанты набирают какой-то текст в своих ноутбуках или записывают на досках уравнения и рабочие графики.

Однако эта иллюзия нормальности быстро рушится, как только вы узнаете, какие именно эксперименты они проводят.

В ходе своего визита в ЦЕРН я испытала на себе обе крайности этой организации. В некоторые дни я спокойно изучала работы в светлом офисе на втором этаже в отделе теоретической физики, время от времени выходя в кафетерий, чтобы набросать уравнения и поговорить с другими теоретиками о распаде вакуума и моих собственных исследованиях темной материи. В другие дни я надевала каску и спускалась на 100 метров под землю, чтобы посмотреть на 25-метровый цилиндр, заполненный невообразимо сложными инструментами. Экспериментальные установки ЦЕРН относятся к самым совершенным и точным машинам, когда-либо созданным людьми. На протяжении нескольких десятилетий тысячи специалистов занимались их проектированием и сборкой, чтобы однажды суметь выявить крошечные изменения в движениях и энергиях частиц, распадающихся за считаные микросекунды. Между тем теоретики с помощью сложнейших уравнений пытаются понять, что говорят результаты экспериментов о природе космоса. Это безумное место.

В то же время оно чрезвычайно забюрократизированно. Институт работает в соответствии с международными договорами, управляется коалицией из 23 стран и принимает исследователей из всех уголков планеты. Столь широкое сотрудничество обусловлено масштабом и уровнем затрат, однако организационная структура ЦЕРН такова, что будущее центра и любых новых экспериментов зависит не только от научных соображений, но и от международной политики. Во время моего визита самой обсуждаемой темой в кафетерии был не очередной захватывающий результат эксперимента, а серия газетных статей, посвященных возможному созданию так называемого Будущего кольцевого коллайдера (FCC, Future Circular Collider), огромного ускорителя частиц, для которого 27-километровый БАК будет выступать в качестве предварительного ускорителя, разгоняющего протоны до нужной скорости, прежде чем они начнут циркулировать в кольце FCC. Энергия в ускорителе FCC будет достигать 100 ТэВ, что примерно на порядок выше того уровня, которого можно достичь с помощью БАК.

Как сказала мне Фрейя Блэкман во время моего визита, на подготовку этих экспериментов требуются десятилетия, и столько же времени может уйти на анализ результатов текущих экспериментов, так что обсуждение дальнейшего направления исследований нужно начинать уже сейчас. Полный анализ данных, которые мы уже получаем с помощью БАК, займет еще лет десять или даже пятнадцать. «Так что пришло время решать, – говорит Блэкман. – Какой коллайдер нам нужен? Электрон-позитронный? Линейный или круговой? Каковы преимущества и недостатки каждого из них? Хотим ли мы сразу перейти к более мощной протон-протонной установке?»

Споры по поводу будущих коллайдеров, особенно такого амбициозного проекта, как FCC, могут быть довольно жаркими. Даже если забыть о стоимости (которая составляет как минимум 10 миллиардов евро), неизвестно, удастся ли с помощью более крупного коллайдера обнаружить новые частицы. Вполне возможно, что неуловимая «новая физика», которую мы ищем, проявляется на таких высоких уровнях энергии, каких нельзя достичь даже на гигантских установках вроде FCC. А может быть и так, что погоня за увеличением энергии направляет нас по неверному пути, а подсказки о том, где искать новую физику, содержатся в уже собранных данных.

Исследователи, с которыми я разговаривала в ЦЕРН, были абсолютно уверены, что увеличение энергии необходимо для продвижения вперед, даже если речь идет о более полном понимании Стандартной модели. Однако это, в конце концов, грозит распадом вакуума. Если дамоклову мечу суждено висеть над нашими головами, неплохо было бы знать, чем он там занят.

Андре Дэвид, исследователь, работающий с БАК, и участник коллаборации CMS (Compact Muon Solenoid, компактный мюонный соленоид), который показал мне детектор во время моего посещения ЦЕРН, отметил, что именно для ответа на этот вопрос и реализуются проекты наподобие FCC. «Одна из причин, по которой люди говорят: “Нам нужен коллайдер на 100 ТэВ”, заключается в том, что тогда у нас будет реальный шанс разобраться с этой штукой».

По словам Дэвида, перед нами стоит вопрос природы поля Хиггса и его (а также нашей) дальнейшей судьбы. Анализ уже собранных данных может способствовать более глубокому пониманию природы поля Хиггса, но с помощью нового коллайдера мы могли бы наконец ответить на вопрос о том, что в действительности означает эта нестабильность, которая угрожает нам распадом вакуума.

Как вы помните из главы 6, потенциал поля Хиггса – это математическая структура, которая определяет эволюцию данного поля и, что особенно важно для нас, его способность нас погубить. В некотором смысле он представляет собой святой Грааль для специалистов по физике элементарных частиц. Однако современные теории мало что могут рассказать нам о форме этого потенциала. Судя по имеющимся у нас данным, на его форму влияют несколько различных трудно вычисляемых аспектов Стандартной модели, а в случае существования теории с более высокими уровнями энергии картина может полностью измениться.

Некоторые исследователи, с кем я беседовала, включая теоретика ЦЕРН (и главного апологета суперсимметрии) Джона Эллиса, считают, что кажущаяся нестабильность поля Хиггса на самом деле представляет собой не экзистенциальную угрозу, а скорее признак того, что мы чего-то не понимаем в существующей теории.

Хосе Рамон Эспиноза, теоретик, изучающий распад вакуума, надеется разобраться с потенциалом поля Хиггса и с тем ненадежным положением, в котором мы находимся, не дожидаясь появления пузыря истинного вакуума[84]. «Нет никаких причин для того, чтобы потенциал поля был именно таким, – заявил он. – Мы живем в совершенно особенном месте. Лично мне все это кажется довольно интригующим; может быть, оно пытается нам что-то сказать». Ключ к пониманию потенциала Хиггса в итоге зависит от так называемых бегущих констант связи – параметров, определяющих силу взаимодействия частиц или полей и то, как они изменяются при увеличении энергии столкновений. «Это будет одним из главных посланий БАК, если мы не найдем ничего другого, – сказал Эспиноза. – Разумеется, если БАК позволит обнаружить новую физику, она, скорее всего, будет противоречить бегущим константам связи. Тогда может случиться все что угодно. Потенциал может быть стабильным, а может оказаться еще более нестабильным, чем мы думаем».