Мечты об окончательной теории: Физика в поисках самых фундаментальных законов природы

Вайнберг Стивен

Описание слабых и электромагнитных взаимодействий в рамках стандартной модели элементарных частиц основано на точной симметрии, подчиняясь которой эти взаимодействия входят в уравнения теории. Однако, как мы видели, эта симметрия отсутствует в решениях уравнений, т.е. свойствах самих частиц и взаимодействий. Любая версия стандартной модели, допускающая такое нарушение симметрии, должна обладать свойствами, которые еще не обнаружены экспериментально – должны существовать либо новые слабовзаимодействующие частицы, называемые хиггсовскими частицами, либо новые сверхсильные взаимодействия. Мы не знаем, какой из вариантов реально осуществляется в природе, поэтому такая неопределенность препятствует продвижению за рамки стандартной модели.

Единственным надежным способом разрешения этого вопроса является эксперимент, в котором есть возможность потратить триллионы электрон-вольт, чтобы породить либо хиггсовские частицы, либо массивные частицы, удерживаемые вместе сверхсильными взаимодействиями. Оказывается, что для этого необходимо довести полную энергию пары сталкивающихся протонов до 40 триллионов эВ, так как энергия каждого протона делится

между входящими в его состав кварками и глюонами, и только примерно одна сороковая доля полной энергии может быть использована для рождения новых частиц в процессе соударения любого кварка или глюона из одного протона с кварком или глюоном из другого. Однако недостаточно просто выстрелить пучком протонов энергией 40 триллионов эВ по неподвижной мишени, так как тогда почти вся энергия налетающих протонов будет растрачена на отдачу протонов мишени. Чтобы надежно решить вопрос о нарушении электрослабой симметрии, необходимы два пучка протонов энергией 20 триллионов эВ, которые сталкивались бы лоб в лоб, так что суммарный импульс двух столкнувшихся протонов был бы равен нулю и не было бы никаких потерь энергии на отдачу. К счастью, можно быть уверенными в том, что ускоритель, на котором интенсивные встречные пучки протонов ускоряются до энергии 20 триллионов эВ, способен разрешить проблему нарушения электрослабой симметрии, т.е. на нем будет обнаружена либо хиггсовская частица, либо свидетельства новых сильных взаимодействий.

В 1982 г. среди физиков – теоретиков и экспериментаторов – начала бродить идея, что проект ИЗАБЕЛЛА должен быть отброшен за ненадобностью, и его следует заменить постройкой значительно более мощного нового ускорителя, в опытах на котором можно было бы разрешить проблему нарушения электрослабой симметрии. Тем летом состоялось первое заседание неофициальной рабочей группы Американского физического общества, на котором впервые детально рассматривался проект ускорителя на сталкивающихся протонных пучках с энергиями по 20 триллионов эВ, т.е. в пятьдесят раз больше, чем планировалось в проекте ИЗАБЕЛЛА. В феврале следующего года подкомитет Консультативного комитета по физике высоких энергий Министерства энергетики под председательством Стенли Вожички начал серию встреч, на которых обсуждались параметры ускорителя нового поколения. Члены подкомитета встретились в Вашингтоне с советником президента по науке Джеем Кейвортом и получили от него твердые заверения, что администрация благожелательно отнесется к новому большому проекту.

Подкомитет Вожички провел свое решающее заседание в период с 29 июня по 1 июля 1983 г. в Циклотронной лаборатории им. Невиса Колумбийского университета в округе Вестчестер. Приглашенные физики единогласно рекомендовали построить ускоритель, который мог бы ускорять встречные пучки протонов до энергий 10–20 триллионов эВ. Само по себе это голосование не должно было привлечь особое внимание. Ученые в любой области высказывают рекомендации по созданию нового оборудования для своих исследований. Значительно важнее было то, что десятью голосами против семи было рекомендовано прекратить работы по проекту ИЗАБЕЛЛА. Это было невероятно трудное решение, против которого яростно возражал директор Брукхейвена Ник Самиос. (Позднее Самиос назвал это голосование «одним из самых тупых решений, когда-либо принятых в физике высоких энергий» [234] .) Решение не только подчеркнуло поддержку подкомитетом проекта нового большого ускорителя, оно политически чрезвычайно затруднило для Министерства энергетики обращение к конгрессу с просьбой о продолжении финансирования проекта ИЗАБЕЛЛА, а если этот проект приостанавливался и не заменялся никаким другим, то получалось, что министерство энергетики вообще остается без проектов строительства установок по физике высоких энергий.

Б234

Цит. по работе Science 221 (1983): 1040.

Десятью днями спустя рекомендации подкомитета Вожички были единогласно поддержаны головным консультативным комитетом по физике высоких энергий министерства энергетики. Именно в это время предлагаемый новый ускоритель получил свое теперешнее имя: Сверхпроводящий СуперКоллайдер (ССК) (по-англ. Superconducting Supercollider, SSC. – Прим. перев.). 11 августа 1983 г. министерство энергетики поручило консультативному комитету по физике высоких энергий наметить план проведения исследовательских и конструкторских работ, необходимых для проекта ССК, а 16 ноября 1983 г. министр энергетики Дональд Ходель объявил решение министерства о прекращении работы над проектом ИЗАБЕЛЛА [235] и обратился к соответствующим комитетам палаты представителей и сената за разрешением направить выделенные на проект ИЗАБЕЛЛА средства на новый проект ССК.

Б235

Туннель установки ИЗАБЕЛЛА используется сейчас для релятивистского ускорителя тяжелых ионов, который будет использоваться для изучения столкновений тяжелых ионов с целью понять свойства ядерной материи, а не фундаментальные принципы физики элементарных частиц. Ожидается, что этот ускоритель будет готов в 1997 г.

Поиск механизма нарушения электрослабой симметрии безусловно был не единственным доводом в пользу ССК. Обычно при строительстве новых ускорителей типа находящихся в ЦЕРНе или Фермилабе всегда ожидается, что при переходе к более высокому уровню энергий будут обнаружены новые выдающиеся явления. Такие ожидания почти всегда оправдывались. Например, при строительстве старого протонного синхротрона в ЦЕРНе не было никаких определенных идей относительно того, что на нем будет открыто. Безусловно, никто не предвидел, что эксперименты с полученными на этом ускорителе нейтринными пучками приведут к открытию в 1973 г. слабых взаимодействий нейтральных токов, подтвердивших единую теорию электрослабых взаимодействий. Сегодняшние большие ускорители являются потомками циклотронов, построенных в

начале 1930-х гг. в Беркли Эрнстом Лоуренсом с целью ускорения протонов до столь высоких энергий, чтобы они смогли преодолеть электрическое отталкивание протонов атомного ядра. При этом у Лоуренса не было никаких идей о том, что может быть обнаружено, когда протоны проникнут вглубь ядра. Бывает и так, что определенное открытие анонсируется заранее. Например, построенный в конце 1950-х гг. бэватрон в Беркли был специально рассчитан на такую энергию (примерно 6 ГэВ), чтобы появилась возможность рождать антипротоны – античастицы протонов, входящих в состав всех обычных атомных ядер. Работающий в наши дни электрон-позитронный коллайдер в ЦЕРНе был построен в первую очередь так, чтобы энергия пучков была достаточной для рождения очень большого количества Z– частиц, которые затем использовались для того, чтобы подвергнуть теорию электрослабых взаимодействий жесткой экспериментальной проверке. Но даже тогда, когда постройка нового ускорителя мотивируется какой-то определенной задачей, наиболее важные открытия на нем происходят совершенно неожиданно. Именно так было с бэватроном в Беркли. Антипротоны на нем действительно были получены, но самым главным достижением стало рождение большого числа неожиданных новых сильновзаимодействующих частиц. Точно так же, с самого начала подчеркивалось, что эксперименты на Суперколлайдере могут привести к значительно более важным открытиям, чем подтверждение механизма нарушения электрослабой симметрии.

Опыты на ускорителях сверхвысоких энергий типа ССК могут даже решить самую важную проблему, с которой столкнулась современная физика, – проблему недостающей темной материи. Нам известно, что большая часть массы галактик, и еще большая часть массы скоплений галактик является темной, т.е. не состоит из светящихся звезд типа Солнца. Еще больше темной материи требуется для того, чтобы объяснить скорость расширения Вселенной в рамках популярных космологических теорий. Такой избыток темной материи не может существовать в форме обычных атомов. Если бы это было так, то существование дополнительного большого числа протонов, нейтронов и электронов повлияло бы на расчеты распространенности легких элементов, образованных в первые несколько минут расширения Вселенной, так что результаты этих расчетов перестали бы согласовываться с наблюдениями.

Так что же такое темная материя? В течение многих лет физики строят предположения о существовании экзотических частиц того или иного сорта, из которых могла бы состоять темная материя. Однако до сих пор эти гипотезы не привели к определенным результатам. Если в экспериментах на ускорителе будет обнаружен новый тип долгоживущих частиц, то, измерив их массу и взаимодействия, мы сумеем вычислить, сколько таких частиц осталось после Большого взрыва, и решить, могут ли они составлять всю или только часть темной материи во Вселенной.

Недавно эти вопросы обострились в результате наблюдений, сделанных спутником СОВЕ (Cosmic Background Explorer). Помещенные на этом спутнике чувствительные приемники микроволнового излучения обнаружили следы ничтожных различий температуры этого излучения при переходе от одной части неба к другой. Эти различия сохранились от эпохи, когда возраст Вселенной был равен всего тремстам тысячам лет. Считается, что такие неоднородности температуры возникли за счет влияния гравитационных полей, созданных слегка неоднородным распределением материи в ту эпоху. Момент времени через триста тысяч лет после Большого взрыва имел решающее значение в истории Вселенной. Она впервые стала прозрачной для излучения, и обычно считается, что неоднородности в распределении материи начали после этого момента собираться в комки под действием собственного притяжения, что привело в конце концов к образованию тех галактик, которые мы видим на небе. Однако неоднородности в распределении материи, вытекавшие из результатов измерений СОВЕ, не соответствуют молодым галактикам. Дело в том, что спутник СОВЕ изучал только нерегулярности очень большого размера, значительно превышавшего тот, который имели сегодняшние галактики в момент времени через триста тысяч лет после Большого взрыва.

Если экстраполировать то, что наблюдал СОВЕ, к много меньшим размерам ранних галактик, и вычислить степень неоднородности вещества на этих сравнительно малых масштабах, то мы столкнемся с проблемой: неоднородности размером с теперешнюю галактику были бы слишком незначительны в эпоху через триста тысяч лет после начала, чтобы вырасти под действием собственной гравитации в сегодняшние галактики. Один из способов преодолеть возникшую проблему заключается в том, чтобы предположить, что неоднородности галактического размера начали гравитационное сжатие уже в первые триста тысяч лет, так что экстраполяция того, что наблюдает СОВЕ, к много меньшим размерам галактик неверна. Однако это невозможно, если вещество Вселенной состоит главным образом из обычных протонов, нейтронов и электронов, так как неоднородности такой обычной материи не могут испытать существенный рост, пока Вселенная не станет прозрачной для излучения. Просто, в более ранние моменты времени любой комок вещества будет разнесен на куски давлением собственного излучения. С другой стороны, экзотическая темная материя [236] , состоящая из электрически нейтральных частиц, стала бы прозрачной для излучения намного раньше, и поэтому начала бы гравитационное сжатие в эпоху намного ближе к началу, образуя значительно более сильные неоднородности галактических масштабов, чем те, которые вытекают из экстраполяции данных СОВЕ, и, вероятно, достаточные для того, чтобы вырасти в сегодняшние галактики. Открытие частиц темной материи на ССК подтвердило бы это предположение, пролив, тем самым, свет на раннюю историю Вселенной.

Б236

Это замечание применимо к неоднородностям галактического размера, но не значительно большим неоднородностям, следующим из измерений СОВЕ. Они настолько велики, что даже световая волна не успела бы их пересечь за первые триста тысяч лет после начала современного расширения Вселенной, и поэтому (независимо от того, состоят они их темной материи или нет) они не могли испытать существенного роста за это время.