Большой адронный коллайдер. Фото: Nikolaus Geyrhalter Filmproduktion
В последние пару месяцев из Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН), в котором находится Большой адронный коллайдер (БАК), пришло сразу несколько интересных новостей. В одних экспериментах были обнаружены новые частицы, в других – получены результаты, потенциально открывающие дорогу к Новой физике.
Republic попросил российских ученых, участвующих в экспериментах ЦЕРН, объяснить суть новых открытий и их значение, а также рассказать, что придет на смену БАКу.
Сталкивая адроны
Прежде чем говорить о новых открытиях, нелишне будет вспомнить, как работает Большой адронный коллайдер, и зачем он нужен. В основу его работы положен принцип ускорения заряженных частиц электрическим полем, который используется физиками с 1930-х годов.
«Наверное, самый хорошо известный ускоритель, некогда широко использовавшийся в быту, – это телевизор с кинескопом. В нем создавался пучок электронов, который фокусировался, ускорялся и направлялся, чтобы электроны, попадая на нужную часть экрана, засвечивали люминофор и получалось изображение», – рассказывает Евгений Храмов, начальник сектора элементарных частиц Лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ).
Принцип работы БАКа по большому счету тот же, только электронно-лучевая трубка длиннее (27 км) и замкнута в кольцо, а вместо электронов до скоростей, близких к скорости света, разгоняют протоны и ядра атомов (обычно свинца), а затем сталкивают их друг с другом. Столкновения на таких скоростях позволяют создать большую энергию в очень маленьком пространстве, и появляется возможность для рождения как уже хорошо известных или предсказанных частиц, так и новых – например, бозона Хиггса.
Слово «коллайдер» как раз означает что-то вроде «сталкиватель» (от англ. collide), а адроны – это частицы, состоящие из других (кварков и глюонов). Адроны делятся на два типа: барионы, в состав которых входят нечетное число кварков (сюда относятся, например, протоны и нейтроны), и мезоны, состоящие поровну из кварков и антикварков. Следовательно, адронный коллайдер – устройство, сталкивающее адроны. И задача БАК – с помощью этих столкновений найти ответы на многие вопросы, стоящие перед фундаментальной физикой.
Сейчас на БАКе проводится несколько экспериментов, из которых нас интересуют четыре: CMS, ATLAS, LHCb и TOTEM. CMS и ATLAS направлены на изучение бозона Хиггса и поиск проявлений Новой физики – то есть, явлений, не укладывающихся в Стандартную модель, которая описывает известные на сегодня взаимодействия между элементарными частицами: электромагнитные, слабые и ядерные, они же сильные (последним как раз подвержены адроны). К проявлениям Новой физики относятся, в том числе, новые частицы.
Эксперимент LHCb предназначен для исследования некоторых адронов, прежде всего, в контексте проблемы барионной асимметрии – наблюдаемого преобладания в видимой части Вселенной вещества над антивеществом, которое пока объяснить не удается.
«В Стандартной модели материя всегда порождается ровно в таком же количестве, как антиматерия. Согласно теории Большого взрыва, после него родилось одинаковое количество материи и антиматерии. Но с эволюцией вселенной первой стало больше, и причина такой асимметрии пока непонятна». – поясняет Евгений Храмов.
Наконец, эксперимент TOTEM изучает такие столкновения протонов, при котором они либо не разрушаются вовсе (и не порождают новых частиц), либо «разваливаются» на несколько адронов, но продолжают лететь в целом в том же направлении.
От России в работе ЦЕРН участвует свыше 1000 человек в 42 экспериментах. Эти ученые представляют 27 научных институтов и не только – например, в эксперименте LHCb заняты сотрудники компании Яндекс.
Новые подтверждения Стандартной модели
Многие из экспериментов, проводящихся на БАКе, призваны тем или иным образом подтвердить правильность Стандартной модели. Важнейшим из таких подтверждений стало открытие в 2012 году в экспериментах ATLAS и CMS бозона Хиггса – элементарной нейтральной (то есть, являющейся для самой себя античастицей) частицы с массой в 130 раз больше, чем у протона.
Моделирование, показывающее появление бозона Хиггса при столкновении двух протонов. Иллюстрация: Lucas Taylor / CERN
Аналогично в Стандартную модель укладываются и две частицы, об обнаружении которых на БАКе было объявлено в начале этого года. Первая из них – орбитальное возбуждение Ξb(6100)– (кси бэ минус бариона), существование которого подтвердили в рамках эксперимента CMS. В невозбужденном виде этот адрон уже некоторое время известен физикам, но его возбужденное состояние – фактически уже новая частица, с другой массой и менее стабильная.
Что касается оддерона, открытого в эксперименте TOTEM, в сотрудничестве с американскими коллегами (работающими на коллайдере «Теватрон»), то это виртуальная частица – они используется для описания некоторых сильных взаимодействий между адронами. Стандартная модель предсказывала, что оддероны должны проявляться во время таких взаимодействий при высоких энергиях, что и было подтверждено экспериментаторами ЦЕРН.
«Эти два открытия лишний раз подтверждают правильность Стандартной модели и Квантовой хромодинамики – той ее части, которая описывает сильные взаимодействия между частицами. Мы положили еще два кирпичика в огромную стену наших знаний о микромире», – комментирует Евгений Храмов.
Дверь в Новую физику?
Но задачи самого большого в мире коллайдера не сводятся к подтверждению Стандартной модели, в которую некоторые наблюдаемые явления не укладываются. Это касается, в частности, гравитации и темной материи, которая гипотетически не взаимодействует с электромагнитным излучением, а проявляет себя только в виде той же гравитации. Прямых доказательств существования темной материи пока нет, но есть множество косвенных – в частности, на это указывают аномально высокие скорости вращения внешних областей галактик.
«Стандартная модель выглядит как хорошая модель, которая является частью чего-то большего, – говорит Андрей Серяков, сотрудник Лаборатории сверхвысоких энергий СПбГУ, популяризатор науки и создатель ВК-паблика “ЦЕРНач”. – И мы пробуем выйти на это “что-то большее” в результате лабораторных экспериментов, а не только космических наблюдений».
Похоже, одна из этих попыток на наших глазах дает перспективные результаты. В марте сотрудники ЦЕРН обнародовали результаты анализа новых данных проводимой в рамках эксперимента LHCb проверки лептонной универсальности в редких распадах B-мезонов. И эти результаты все больше расходятся с предсказаниями Стандартной модели. Одним из возможных объяснений этого может быть существование новой частицы – лептокварка.
«Предполагается, что такой B-мезон должен одинаково распадаться как на пару электрон-позитрон, так и на пару мюон-антимюон (эти частицы по свойствам очень схожи с электронами, но в 200 раз тяжелее). Однако эксперимент показывает, что это не так, и между обычными электронами и “тяжелыми” возникает асимметрия. С новыми данными статистическая достоверность этого результата возросла, и составляет уже 3,1 стандартного отклонения. Этого пока по-прежнему мало, чтобы говорить о совершившемся открытии. Но возможно, здесь нащупывается дверь в Новую физику – чтобы понять, так ли это, нужно продолжить собирать данные», – комментирует Андрей Серяков.
«Гипотетический лептокварк – это как раз частица, не укладывающаяся в Стандартную модель. Если ее существование удастся доказать, это будет важным шагом к Новой физике. Но полученные пока что на БАКе результаты пока дают лишь намек на возможный вклад этой новой частицы в распады тяжелых адронов. Статистическая значимость полученного сигнала не очень высока. Так что для подтверждения этого результата нужны новые эксперименты», – соглашается с ним Иван Елецких, старший научный сотрудник Сектора теоретической поддержки экспериментов физики высоких энергий Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ.
Что дальше?
Продолжая сталкивать между собой уже известные частицы, физики собираются продолжать искать новые.
«Прежде всего это будут различные адроны: как состоящие из двух и трех кварков (обычные мезоны и барионы), так и экзотические состояния, представляющие из себя связанные состояния четырех или пяти кварков (тетракварки и пентакварки). Будет замечательно, если удастся обнаружить частицы темной материи – ряд гипотез предсказывает их существование», – говорит Иван Елецких.
Для проведения этих и других экспериментов в ЦЕРН сейчас рассматриваются проекты строительства двух новых коллайдеров на смену БАКу: CLIC (Компактного линейного коллайдера) и FCC (Циклического коллайдера будущего). Оба проекта должны заработать в конце 2030-х, и они сначала будут сталкивать пучки электронов и позитронов. Однако на FCC, судя по всему, в перспективе можно будет перейти к работе с протонами (то есть, адронами, как и на БАКе), и существенно повысить энергию их столкновений, до 100 ТэВ (для сравнения, БАК был спроектирован для 14 ТэВ, но пока выдает только 13), что откроет больше перспективы, в том числе, поиска новых частиц.
Главная площадка ЦЕРН. Фото: Brücke-Osteuropa
При этом многочисленные антинаучные страшилки о том, что БАК или его преемники могут стать причиной глобальной катастрофы – например, образования черной дыры, которая «проглотит» нашу планету, – беспочвенны, говорят ученые.
«Соударения частиц со столь высокими энергиями не являются чем-то уникальным, – объясняет Иван Елецких. – Такие столкновения, и даже столкновения намного больших энергий, наблюдаются во вселенной – например, в ядрах галактик. Частицы энергий сравнимых с энергиями БАК регулярно наблюдаются в космических лучах, достигающих Земли».
«Конечно же глобальной катастрофы в том смысле, что вы спросили [в результате работы адронного коллайдера], случиться не может. Может быть только что-то вроде аварии 2009 года, в результате которой были повреждены несколько магнитов БАК, произошла утечка гелия, и кто-то в мире на полгода остался без жидкого гелия, потому что он срочно понадобился для БАК», – добавляет Евгений Храмов.
