На пороге революции в физике элементарных частиц

Примерно через год произойдет событие, которое с нетерпением и большими надеждами ожидает все физическое сообщество планеты, занимающееся физикой высоких энергий (физикой элементарных частиц): осенью 2007 года будет запущен самый большой в мире ускоритель протонов. Его сооружение завершается на площадке ЦЕРНа (Европейский центр ядерных исследований) вблизи Женевы. На нем протоны будут ускоряться до гигантских энергий 7 Тэв, то есть 7х1012 электрон-вольт, в двух пучках, в которых частицы движутся в противоположных направлениях, а потом сталкиваются, так что энергия столкновений будет 14 Тэв, что на порядок превосходит энергию самого большого ускорителя, запущенного много лет назад в США в лаборатории Ферми. Сооружаемый ускоритель имеет аббревиатуру LHC, от английского «большой адронный коллайдер». Само слово «коллайдер» означает ускоритель на встречных пучках, а «адронный» указывает, что ускоряемые частицы (протоны) принадлежат классу элементарных частиц, участвующих в сильных (ядерных) взаимодействиях.

   LHC имеет циклопические размеры: протоны разгоняются в вакуумном кольце окружностью в 27 километров! Кольцо находится в туннеле, пробитом в скальном грунте на глубине 100–150 метров, чтобы изолировать пучок от малейших внешних воздействий, поскольку точность и стабильность всех путей, по которым протоны инжектируются в коллайдер и ускоряются в нем, должна быть исключительно высокой. На протяжении всего 27 километрового пути кольцо окружено 1232 сверхпроводящими магнитами, каждый из которых весит десятки тонн и заливается жидким гелием. Специальные диполи, окружающие кольцо, позволяет синхронно разгонять два пучка в противоположных направлениях. Когда протоны разогнаны до предела, энергия пучка частиц эквивалентна энергии взрыва в 100 кг тринитротолуола. После столкновения двух разогнанных пучков рассеянный пучок рождающихся частиц выводится на поверхность на специальные детекторы, которые регистрируют их. Два главных детектора, расположенных в десяти километрах друг от друга, также имеют циклопические размеры. Каждый из них выполнен в виде цилиндра длиной 26 и диаметром 20 метров, весит он 7000 тонн. Детектор состоит из множества локальных детекторов, расположенных на периферии этого цилиндра, которые регистрируют частицы, рассеянные под определенным углом к пучку.
 

LHC сооружается десять лет и стоит 6,3 миллиарда евро. Когда коллайдер вступит в строй, на нем будет работать 6000 инженеров и ученых-исследователей. У любого человека возникает естественный вопрос: зачем это нужно, и что такое физики хотят получить на этом ускорителе, за что можно заплатить такую цену?
 

* * *
 

Я как член Английского физического общества регулярно получаю журнал Physics World. Октябрьский номер 2006 года был целиком посвящен предстоящему событию — запуску в следующем году коллайдера LHC. В нескольких статьях, написанных специалистами по физике высоких энергий, обсуждаются различные аспекты, относящиеся к самому ускорителю и целях исследований на нем. Этот материал показался мне настолько интересным и даже ошеломляющим, что захотелось поделиться с читателями нашей газеты. Итак, что ожидают получить исследователи с помощью LHC?
 

Вкратце ответ будет таким: проверка Стандартной Модели. Так называемая Стандартная Модель (СМ) в физике элементарных частиц есть результат теоретических и экспериментальных исследований ( на ускорителях) структуры материи. Согласно СМ, существует две группы «самых элементарных частиц»: кварки и лептоны. Кварки (существует 6 различных кварков) составляют все наблюдаемые частицы, участвующие в сильных взаимодействиях, — адроны. К адронам относятся протоны, нейтроны и множество других более тяжелых частиц, а также мезоны. Каждый из тяжелых адронов (протон, нейтрон и т.д.) состоит из трех кварков соответствующего набора, а мезоны из двух кварков. Кварки не существуют в свободном состоянии, а только в связаных состояниях, стало быть, по три или по два кварка. Несмотря на это, кварки вполне реальные объекты микромира, истинно элементарные частицы, и их свойства хорошо определены в ходе экспериментов, в частности измерена масса каждого из шести кварков. Самые легкие кварки были экспериментально открыты в 1964 году, и их масса составляет несколько десятков электронных масс, а самый тяжелый кварк, открытый в 1994 году, тяжелее протона.
 

Теперь о лептонах. Их тоже 6 видов, три различных нейтрино и три соответствующие им частицы: электрон, мю-мезон и тау-мезон (не следует путать их с упомянутыми выше мезонами, состоящие из двух кварков!). Мю-мезон и тау-мезон можно назвать в определенном смысле тяжелыми электронами.
 

Итак, главными структурными элементами материи являются кварки и лептоны. И те, и другие являются фермионами, так называются частицы с полуцелым спином. А вот мезоны, состоящие из двух кварков, являются бозонами — частицами с нулевым спином.
 

Бозоны являются переносчиками взаимодействий между элементарными частицами. Взаимодействия между кварками в адронах обусловливаются обменом глюонами (от английского слова «клей»), электромагнитные взаимодействия между заряженными частицами обусловлены обменом фотонами (фотон тоже бозон). Есть еще так называемое слабое взаимодействие, которое приводит к хорошо известному бета-распаду ядер. Переносчиками слабых взаимодействий являются промежуточные бозоны: их два — W и Z бозоны (на самом деле их четыре, поскольку W может быть положительно или отрицательно заряженным, а также нейтральным). Они были предсказаны в рамках СМ и обнаружены экспериментально 1983 году в ЦЕРНе. Это грандиозное открытие вывело ЦЕРН в лидеры физики высоких энергий, оставив позади США, много лет лидирующих в этой области. Открытие W и Z бозонов несомненно позволило добиться финансирования на постройку ускорителя LHC в ЦЕРНе и, возможно, закрепит лидирующее положение европейцев на ближайшее десятилетие. Открытие W и Z бозонов стало блестящим подтверждением СМ, и до сих пор не было обнаружено фактов, противоречащих СМ элементарных частиц.
 

* * *
 

Однако в этой модели имеется одно слабое место. В ней нет механизма образования массы элементарных частиц. Все частицы (кварки и промежуточные бозоны) считаются в модели безмассовыми, как и фотоны. Разумеется, речь идет здесь о нулевой массе покоя. В то же время из экспериментов мы знаем о существовании конечных масс частиц, и они достаточно точно измерены. Тем не менее пятьдесят лет назад Хиггс предложил простой и универсальный механизм образования массы. Он постулировал, что в природе существует некоторое скалярное поле, теперь называемое полем Хиггса, с которым взаимодействуют все частицы. Если предположить, что имеется спонтанное нарушение симметрии в отношении этого поля (явление хорошо и давно известное физикам в теории фазовых переходов), то любая безмассовая частица, взаимодействующая с полем Хиггса в условиях нарушенной симметрии, приобретает массу. Это и есть знаменитый эффект Хиггса. Далее, если есть поле Хиггса, то должна быть и частица, представляющая элементарное возбуждение этого поля. Это гипотетическая частица называется бозоном Хиггса. Теперь можно сказать, что масса любой элементарной частицы обусловлена взаимодействием с хиггс-бозонами.
 

Из экспериментально измеренных масс W и Z бозонов можно оценить нижнюю границу массы хиггс-бозона. Она должна быть порядка 100 Гэв/c² (1 Гэв=10⁹ эв), то есть масса хиггс-бозона порядка 100 масс протона (мы использовали здесь знаменитое соотношение Эйнштейна E=mc² между энергией частицы и ее массой, c — скорость света). Для рождения хиггс-бозона в протон-протонных столкновениях нужно внести локально энергию порядка 100 Гэв. Поскольку это лишь нижняя граница оценки массы, следует увеличть эту энергию по крайней мере на порядок. Так мы приходим к величине энергии протонов в коллайдере в несколько Тэв. В реализуемом проекте выбрана энергия пучка 7 Тэв. Таким образом, на LHC открывается возможность обнаружить хиггс-бозон в протон-протонных столкновениях.
 

Однако зарегистрировать в этих экспериментах такую частицу не так-то просто. Дело в том, что хиггс-бозон нестабильная частица. Рожденная в протон-протонном столкновении, она тут же будет распадаться. Имеется много каналов распада: на два кварка, на два промежуточных W или Z бозона, на два фотона и т.д. Вероятности каналов распада зависят от ее массы, которая не известна. Вероятности процессов при протон-протонном столкновении, когда рождается хиггс-бозон, ничтожны по сравнению с другими процессами, поэтому в детектор попадает множество частиц, появляющихся от различных реакций. При регистрации продуктов распада нужно отсечь все неинтересные процессы, в которых хиггс-бозон не рождается. Для этого необходимо использовать мгновенное вычисление вероятностей всех возможных в протон-протонных столкновениях процессов и осуществить компьютерное управление регистрации продуктов распада в детекторах с тем, чтобы стандартные известные процессы не регистрировались, а регистрировались только нестандартные, например, с участием хиггс-бозона. Система детекторов на LHC рассчитывает на регистрацию интересных процессов в количестве примерно 20 за секунду. Отметим, что в коллайдере происходят миллиарды протон-протонных столкновений в секунду. И вот на этом фоне нужно выделить десяток интересных нам столкновений. Предполагается, что анализ результатов регистрации будет осуществляться одновременно гигантским числом суперкомпьютеров в ЦЕРНе и во многих странах Западной Европы и в США. Это только одна трудность в поисках хиггс-бозона на LHC — чисто техническая. Есть однако еще более серьезная проблема — идеологическая.
 

Дело в том, что в вопросе о существовании хиггс-бозона имеется тяжелый парадокс, связанный с теоретической оценкой его массы. Хиггс-бозон взаимодействует с собственным полем Хиггса, и это приводит к парадоксальному выводу: его масса должна быть порядка так называемой планковской массы 10¹⁶ Тэв/c², то есть на 16 порядков больше той массы, которая следует из оценок, основанных на эксперименте. Если бы у него на самом деле была такая масса, то это просто означало бы, что хиггс-бозон не существует, и тогда вся СМ оказывается в подвешенном состоянии. Это грандиозный красивый дом, сооруженный на песке. Вот почему так важно сейчас убедиться на эксперименте — есть хиггс-бозон или нет. Если он будет обнаружен, тогда остается объяснить, почему у него не планковская масса, а такая, какую измерят, то есть порядка 1 Тэв/c².
 

Вот сейчас следует сказать, что теоретически имеются объяснения обсуждаемого парадокса, но не в рамках СМ, а за ее пределами. Один путь — это теория суперсимметрии (SUSY). Согласно этой гипотезе в природе для каждой из наблюдаемой нами частицы (электрон, протон, кварк и т.д.) существует некий гипотетический партнер — с-частица (с-электрон, с-протон, с-кварк и т.д.). Они отличаются от обычной частицы только спином. Таким образом, если обычная частица фермион, то с-частица бозон, и наоборот. Существование частиц, одинаковых во всех отношениях кроме спина, и есть принцип суперсимметрии. Что это дает? Взаимодействие частицы с полем Хиггса приводит к очень большой (планковской) величине ее массы, а с-частицей — также большой величине, но противоположного знака. Оба вклада ( от частицы и с-частицы) почти компенсируют друг друга, и результат может быть малым. Эта суперфантастическая теория суперсимметрии вводит существование множества других частиц, которые мы не видим, но в экспериментах на LHC они могут проявиться. Другая возможность появления хиггс-бозона с небольшой массой использует уж совсем сумасшедшую идею о существовании пятого измерения в малых масштабах нашего четырехмерного мира пространства-времени, в котором важна гравитация. Я даже не буду пытаться ее излагать. Пересказанные простыми словами эти две гипотезы (суперсимметрия и гравитация в пятом измерении) — кажутся нелепыми, но за ними стоят серьезная математика и серьезные люди. Проверить их может только эксперимент, может быть, и тот, который будет вестись на LHC.
 

* * *
 

Итак, что мы ожидаем от LHC? Во-первых, может быть обнаружен хиггс-бозон и ничего более того. Это означало бы полное подтверждение СМ, оставалось бы лишь объяснить, почему у хиггс-бозона такая умеренная масса, а не планковская. Если кроме хиггс-бозона будут обнаружены новые явления за пределами СМ, это будет означать открытие нового континента в физике элементарных частиц. Самый плохой вариант из возможных: если не будет обнаружен хиггс-бозон и ничего другого, что не могло бы следовать из СМ. Это означало бы, что нужно строить другой ускоритель с энергией на порядок больше 14 Тэв и со значительно большей стоимостью. Здесь уже правительства европейских стран стали бы решать вопрос, стоит ли давать деньги налогоплательщиков на эти запросы физиков. В такой ситуации инициатива, наверное, снова бы перешла к США, где уже готовится проект нового поколения ускорителя, и физикам пришлось бы лет десять жить в неопределенности по поводу статуса Стандартной Модели.
 

Физическое сообщество с нетерпением ждет начало 2008 года, когда начнутся эксперименты на LHC. Следует в заключение отметить, что Большой адронный коллайдер является, по-видимому, вершиной технических проектов, которые осуществляло человечество за всю его историю.
 

Академик Ю.А. ИЗЮМОВ