Вселенная. Емкие ответы на непостижимые вопросы - Хокинг Стивен

Как искать бозон Хиггса? Нужно сталкивать частицы очень высоких энергий. Вот модель высокоэнергетического столкновения двух протонов. В таком столкновении рождается множество заряженных частиц и множество нейтральных, и в этой симуляции скрыт бозон Хиггса. Я говорю, что он скрыт, потому что это нейтральная частица, и она не оставляет следов, а кроме того, это очень нестабильная частица, так что впрямую вы ее не увидите в любом случае. Но в этой симуляции она распалась на две частицы очень высокой энергии, вот эти две синие башни справа и еще две желтые линии слева.

Задача экспериментов на БАК состоит в поиске таких вот вещей среди миллиардов и миллиардов других столкновений, среди той кучи мусора, которая тоже производится. Я уже говорил вам, что он большой, 27 км в окружности. В среднем он находится на глубине 100 метров под землей, и когда он работает, тысячи миллиардов частиц, протонов, летят по кругу в противоположных направлениях, сталкиваясь и воссоздавая условия, существовавшие на ранних этапах Большого взрыва.

Просто чтобы подразнить моих друзей-астрофизиков, позволю вам заглянуть внутрь Большого адронного коллайдера. Там есть трубы, по которым частицы движутся по кругу. Они должны соударяться, так что нужно добиться глубокого вакуума, чтобы протоны сталкивались друг с другом, а не с молекулами газа. Вакуум внутри этих труб лучше того, что был у вас на поверхности Луны. Простите меня за это. Теперь для Джона Мэзера, который сидит во втором ряду, я бы хотел провести сравнение с открытым космосом. Наши магниты охлаждены до температуры в 1,9° выше абсолютного нуля, в то время как космическое микроволновое излучение имеет температуру в 2,7° выше абсолютного нуля. Так что я заявляю, что физика частиц на 0,8 градуса круче, чем космология. Кроме тех случаев, конечно, когда происходит столкновение, потому что при этом на очень короткий момент образуется невероятно маленькое и невероятно горячее пространство, из которого вылетают десятки, сотни, может быть, тысячи частиц, и на короткий момент получается точка с температурой намного, намного выше, чем в центре Солнца.

Потом мы пытаемся зарегистрировать эти частицы, и на БАК идут четыре больших эксперимента, я хочу подчеркнуть, что в эти эксперименты вовлечены тысячи физиков из буквально десятков стран. Это по-настоящему всемирные усилия. Это не просто группа швейцарских парней играет с часами, это настоящая работа мирового масштаба.

Теперь кое-что про открытие бозона Хиггса. Мне кажется, что описать реакцию физиков, занимающихся частицами, на то, что эта частица в конце концов была обнаружена, можно как массовую хиггстерию. И в нескольких экспериментах нам удалось обнаружить следующее. В рамках ATLAS, одного из больших экспериментов по поиску бозона Хиггса, увидели такую картину: если вы присмотритесь очень внимательно, вы увидите четыре прямые красные линии, выходящие из столкновения – две вверх и налево и две, выходящие снизу. Это энергичные частицы, которые могли появиться при распаде бозона Хиггса, и это похоже на симуляцию. Это событие увидели и в другом эксперименте по охоте на бозон Хиггса, CMS. Его поведение иллюстрируют замеченные в космических лучах линии. Они соответствуют двум частицам с высокой энергией, возможно, очень энергичным фотонам. Они не заряжены, потому что не оставляют за собой следа, и такой распад бозона Хиггса на два фотона был рассчитан нами с Мари Гайяр и Димитрием Нанопулосом в 1975 году.

4 июля 2012 года ATLAS и CMS осмелились заявить об открытии новой частицы. На другой стороне Атлантики 4 июля отмечается по другому поводу, но у нас, по крайней мере, в то 4 июля, было свое большое празднование.

Что же обнаружили в ходе экспериментов? Что ж, в основном ничего. То, что вы видите здесь, это данные, выбивающие основу из-под известной физики. Они колеблются вверх и вниз, но нет ничего существенного, да? Никакого бозона Хиггса, не на чем глаз остановить. Но если убрать наложение в середине, вы увидите очень значительный пик. В нем – переизбыток полезных событий, и это то, что, как мы полагаем, и есть бозон Хиггса, наконец появляющийся из шума.

Бозон Хиггса – это важная вещь. Без бозона Хиггса не было бы атомов, потому что у электронов не было бы массы, и они улетали бы от ядра со скоростью света. Не было бы тяжелых ядер, потому что у кварков не было бы массы. Слабые взаимодействия, ответственные за радиоактивность, не были бы слабыми. Они были бы той же силы, даже сильнее, чем электричество и магнетизм, и жизнь была бы невозможна. Не просто все было бы радиоактивным, но и вселенная была бы совсем не похожа на нашу вселенную.

Когда бозон Хиггса начал играть важную роль во вселенной? Сегодня она заполнена космическим микроволновым фоновым излучением, которое высвободилось при формировании атомов примерно через 380 000 лет после Большого взрыва. До этого не было ни атомов, ни химии, ни биологии, только физика. Когда вы сдвинетесь еще дальше назад, к моменту, когда вселенной было меньше трех минут, вы обнаружите, что там не было ядер, только протоны, электроны, фотоны и т. п. Вот так, никакой ядерной физики тогда еще не было. Если сдвинуться еще, к тому времени, когда от рождения вселенной была одна микросекунда, можно было бы обнаружить, что там не было протонов и нейтронов, вокруг летали только кварки и глюоны. Мы думаем, что если еще сдвинуться к возрасту вселенной в одну пикосекунду, т. е. одну миллионную миллионной доли секунды, то вот это будет тот момент, когда начал свою работу бозон Хиггса, и до этого момента у частиц не было массы.

Возвращаясь к моей аналогии со снежным полем, когда возраст вселенной был одна миллионная одной миллионной доли секунды, вселенная была настолько горяча, что снег не мог выпасть и образовать снежный покров. С помощью БАК мы исследуем временной промежуток от одной микросекунды до одной пикосекунды после Большого взрыва. Мы думаем, что в этот момент, возможно, была произведена темная материя. Это одна из вещей, которые мы сейчас ищем на БАК, и я к этому вернусь через короткое время. Возможно, и само вещество появилось примерно тогда же, когда бозон Хиггса сотворил свое чудо. Продолжая свои эксперименты, мы пытаемся ответить на эти гогеновские вопросы.

Ответы на них требуют новой физики, находящейся за пределами стандартной модели, которая описывает видимое вещество во вселенной. Говоря словами Джеймса Бонда, стандартной модели недостаточно[3]. И ниже я перечислю 007 причин для этого.

Первая причина в том, что пустой космос нестабилен, если нет ничего, кроме стандартной модели, и я вернусь к этому позже. Затем есть вопрос о природе темного вещества и вопрос о появлении вещества как такового. И откуда у нейтрино взялась масса? (это, скорее всего, потребует некоторого расширения механизма Хиггса). Почему слабые взаимодействия так сильны? Что объясняет огромные размеры и возраст вселенной? Причиной ли этому загадочная космологическая инфляция? И как мы создадим квантовую теорию гравитации? Это все нерешенные задачи, с которыми мы сейчас сталкиваемся. Я немного расскажу о паре этих проблем, а затем в гранд-финале вернусь к вопросу о нестабильном космосе.

Астрофизики говорят нам, что если мы хотим понять, как не распадаются галактики и, для начала, как вообще сформировались галактики, нужно учесть, что невидимого слабо взаимодействующего темного вещества должно быть больше, чем того видимого вещества, из которого состоят звезды и состоим мы. Возможно, темное вещество состоит из частиц, одна из идей – это так называемые суперсимметричные частицы. Это партнеры известных частиц, которые вращаются с иной скоростью. Суперсимметричные частицы будут иметь значение спина J, отличное от обычных частиц. Никто их никогда не видел и само их существование на текущий момент весьма спекулятивно. Это одна из тех вещей, которые мы ищем на БАК, особенно при увеличении энергии столкновений. Мы не сможем увидеть частицы темной материи непосредственно, потому что они взаимодействуют слабо. Они нейтральны и не светят, но их можно зарегистрировать косвенно, потому что они невидимо уносят из системы энергию и импульс.