Почему мы существуем? Величайшая из когда-либо рассказанных историй - Лоуренс Краусс

Помимо этих частиц, как я скоро расскажу, у нас есть все основания подозревать существование других элементарных частиц, которых пока никто не видел. Эти частицы, образующие, как мы считаем, загадочное темное вещество, на которое приходится большая часть массы нашей Галактики и всех видимых галактик, могут оказаться невидимыми для наших телескопов, но наблюдения и теории указывают на то, что галактики и звезды не смогли бы сформироваться без темного вещества.

И в самой основе сил, управляющих динамическим поведением всего, что доступно нашему взору, лежит очень красивая математическая конструкция, называемая калибровочной симметрией. Все известные нам взаимодействия – сильное, слабое, электромагнитное и даже гравитационное – обладают этим математическим свойством, и для первых трех из них именно оно гарантирует, что наши теории имеют математический смысл, а противные квантовые расходимости исчезают из расчетов всех величин, которые можно сравнить с экспериментально полученными данными.

За исключением электромагнетизма, все симметрии всех остальных взаимодействий остаются полностью скрытыми от наших глаз. Калибровочная симметрия сильного взаимодействия скрыта потому, что конфайнмент, предположительно, прячет от нас фундаментальные частицы, через которые эта симметрия проявляется. Калибровочная симметрия слабого взаимодействия не проявляется открыто в мире, где мы живем, потому что она спонтанно нарушена, в результате чего частицы W и Z стали чрезвычайно массивными.

* * *

Тени на стене повседневной жизни – действительно всего лишь тени. И в этом лейтмотив величайшей из когда-либо рассказанных историй, которая медленно разворачивается вот уже более двух тысяч лет с тех пор, как Платон впервые представил эту идею в своей аналогии с пещерой.

Но какой бы замечательной ни была эта история, две серьезнейшие проблемы никуда не делись. Два действующих лица нашего рассказа таковы, что до недавних пор можно было думать, что ее ключевые аспекты – всего лишь сказка, придуманная теоретиками с чрезмерно разыгравшимся воображением.

Во-первых, постулированные в 1960 г. для объяснения слабого взаимодействия W- и Z-частицы, почти в сто раз более массивные, чем протоны и нейтроны, оставались до недавнего времени всего лишь теоретическими конструктами, хотя косвенных свидетельств их существования хватало с избытком. Мало того, было предсказано существование невидимого поля – поля Хиггса, которое пронизывает все пространство, маскируя истинную природу реальности и делая возможным наше существование благодаря спонтанному нарушению симметрии между слабым и электромагнитным взаимодействиями.

Кажется сомнительным делом превозносить историю, которая, по ее же собственному заявлению, описывает, почему мы существуем, но в то же время указывает на невидимое поле, пронизывающее все пространство. Это больше напоминает религиозное торжество, а не научное. Чтобы надежно убедиться, что наши представления соответствуют реальности, а не тому, какой мы хотели бы эту реальность видеть, чтобы сохранить достоинство науки, мы просто должны были открыть хиггсовское поле. Только тогда мы смогли бы до конца разобраться, правда ли, что особенности нашего мира, которые мы столь ценим, – на самом деле не более чем особенности случайного ледяного кристалла в морозном узоре на окне. Или, если выражаться точнее, не превосходят по значимости разницы между сверхпроводящим состоянием проводника в лаборатории и нормальным сопротивлением проводов в моем компьютере.

Для решения этой задачи экспериментаторам пришлось приложить не меньше усилий, чем ранее теоретикам для разработки самой теории. Во многих отношениях задача эта была более масштабной: на ее решение ушло более пятидесяти лет и потребовалось создание самого сложного прибора, который когда-либо пытался построить человек.

К концу 1970-х гг. теоретики оказались на коне, они ликовали и праздновали триумф. Если путь к Стандартной модели был преодолен так стремительно, то какие еще новые миры ожидают ученых? Мечты о теории всего, давно дремавшие, вновь стали просыпаться, и не только в сумеречных уголках коллективного подсознания теоретиков.

Однако калибровочные частицы W и Z по-прежнему никому не удавалось увидеть, и непосредственное их наблюдение все еще казалось устрашающе сложной задачей. Теория давала точное предсказание их масс – приблизительно в девяносто раз больше массы протона. Сложность получения этих частиц была обусловлена простым физическим обстоятельством.

Фундаментальное уравнение теории относительности Эйнштейна, E = mc2, говорит, что можно превратить энергию в массу, разогнав частицы до энергий, многократно превышающих их массу покоя. После этого можно направить их в мишень и посмотреть, что получится.

Проблема в том, что энергия, которая доступна для порождения новых частиц при столкновениях со стационарной мишенью, соответствует так называемой энергии центра масс. Для тех, кто не испугается лишней формулы, скажу, что она равна квадратному корню из удвоенного произведения энергии ускоренной частицы и энергии частицы мишени, связанной с ее массой покоя. Представьте, что вы разогнали частицу до стократной энергии массы покоя протона, которая составляет примерно один гигаэлектронвольт (1 ГэВ). Тогда при столкновении со стационарными протонами в мишени энергия центра масс, доступная для создания новых частиц, составит лишь около 14 ГэВ. Эта величина чуть больше энергии центра масс, доступной в самом мощном ускорителе частиц в 1972 г.

Чтобы получить энергии, требуемые для образования массивных частиц, таких как W- и Z-бозоны, необходимо столкнуть два встречных пучка частиц. В этом случае полная энергия центра масс будет равняться просто удвоенной энергии каждого пучка в отдельности. Если каждый из двух сталкивающихся пучков имеет энергию, в сто раз превышающую массу покоя протона, то столкновение даст 200 ГэВ энергии, доступной для превращения в массу новых частиц.

Зачем же тогда строить ускорители со стационарными мишенями вместо коллайдеров? Ответ прост. Если я стреляю пулей в дверь амбара, то более или менее гарантированно во что-нибудь попаду. Однако если я стреляю пулей в другую пулю, летящую навстречу, то мне нужно быть намного более искусным стрелком, чем кто-либо на этом свете, и иметь лучшее ружье, чем любое из произведенных до сих пор, чтобы гарантированно в эту пулю попасть.

Именно такая задача встала перед экспериментаторами в 1976 г., когда наконец они стали воспринимать электрослабую модель достаточно серьезно, чтобы считать, что ее проверка стоит времени, усилий и денег, которые на это потребуются.

Однако никто не знал тогда, как построить установку, позволяющую получить нужную энергию. Ускорять отдельные пучки частиц или античастиц до высоких энергий тогда уже научились. К 1976 г. протоны удавалось разогнать до 500 ГэВ, а электроны – до 50 ГэВ. При более низких энергиях удавалось успешно организовать столкновения электронов и их античастиц, именно так в 1974 г. были открыты новые частицы, содержащие очарованные кварк и антикварк.