Пол Хэлперн - Коллайдер

• Название: Коллайдер
• Автор: Пол Хэлперн
• Издательство: Эксмо
• Жанр: Физика
• Год: 2010

Осенью 2008 года газеты запестрели заголовками, сообщавшими» будто в недрах Большого адронного коллайдера (БАК), на котором физики собирались расщепить вещество на элементарные частицы, родятся микроскопические черные дыры, способные поглотить Землю.

Какое значение имеет БАК для науки? Что ученые ищут? Почему физика, возможно, вскоре совершит один из величайших рывков в своей истории? Все эти вопросы обсуждаются в книге «Коллайдер». Автор, кроме всего прочего, доказывает, почему невозможно ни практически, ни теоретически, что на БАК появятся черные мини-дыры, которых все так боятся.

---

Непростой задачей для выбравших более отвлеченный путь явилось найти общий язык с экспериментаторами. Вычисления в теории струн зачастую требуют известной сноровки и зависят от многих свободных параметров. В зависимости от их значений меняются предсказания. Кроме того, у струнной теории было несколько разных версий (в середине 90-х Эд Виттен и другие доказали их эквивалентность). Такое многообразие параметров и теорий приводило ученых в недоумение: что же тогда проверять на опыте? Да о чем речь - объекты настолько крохотные (атомное ядро - галактика по сравнению с ними), что нам вряд ли суждено их вскоре «увидеть».

К тому же от математических парадоксов в теории суперструн можно избавиться, если только поселить струну в пространстве десяти, а то и больше измерений. Чтобы увязать это с тем фактом, что люди видят только три пространственных и одно временное измерение, теоретики вспомнили об идее шведского физика Оскара Кляйна, предложенной им в 20-х гг. XX в. Они заставили шесть лишних измерений скрутиться в шарик, такой маленький, что мы его не замечаем. На бумаге это получалось отлично, но экспериментаторов оставляло ни с чем. Ссылаясь на невозможность экспериментальной проверки, критики теории струн - среди знаменитостей это Глэшоу и Ричард Фейнман - заговорили о ее зыбкости.

Сотрудники лабораторий несколько оживились, когда на свет появился более близкий к жизни вариант суперсимметрии - Минимальная суперсимметричная стандартная модель (МССМ). Ее в 1981 г. выдвинули Савас Димопулос из Стэнфордского университета и Говард Джорджи. Они расширили Стандартную модель за счет дополнительных полей, представив ее в виде, удобном для включения в будущую объединенную теорию. Среди этих полей есть и суперсимметричные двойники, которые можно надеяться обнаружить в эксперименте.

В окончательной теории, естественно, должна присутствовать гравитация. Но по сравнению с другими силами она очень слабая. Если прослеживать в прошлое историю Вселенной до той эпохи, когда гравитация могла выступать на равных со своими напарниками, то придется уйти до планковского момента времени, отстоящего от Большого взрыва на 10-43 секунды. Тогда безумно горячая Вселенная была настолько мелкой, что квантовомеханические принципы, описывающие самые маленькие природные системы, были справедливы и для гравитации. Одно мимолетное мгновение квантовый мир и общая теория относительности прожили в неравном браке, имя которому квантовая гравитация.

Если объединение всех природных сил происходило при таких высоких энергиях, участвовавшие в нем частицы должны были быть невероятно тяжелыми. Их масса, вероятно, превышает возможности БАК в квадриллион (1015) раз. Взаимодействуя с «хиггсом», частицы планковской массы так бы завысили его энергию, что вся Стандартная модель развалилась бы. В частности, в теории слабые силы настолько истощились бы, что мы их не смогли бы наблюдать.

Чтобы уйти от этих неприятностей, Димопулос и Джорджи, когда искали суперсимметричное описание единой теории поля, добавили в уравнения «нужные» члены. Последние скомпенсировали влияние слагаемых с большой массой и позволили держать бозон Хиггса в разумном диапазоне энергий. Побочный эффект этой процедуры - появление вместо одного «хиггса» целого семейства таких частиц, как нейтральных, так и заряженных, в том числе суперсимметричного партнера бозона, хиггсино.

Если какие-нибудь из легких суперсимметричных двойников будут зарегистрированы, они сильно помогут нам продвинуться в понимании того, что выходит за рамки Стандартной модели. Они позволили бы отдать предпочтение той или иной теории (МССМ или другим альтернативам) и зафиксировать значения свободных параметров (в МССМ их более ста). Но самое главное, это открытие дало бы нам возможность делать верные предположения о том, как должна себя вести теория струн (или другая теория объединения) при гораздо более высоких энергиях.

Впрочем, энергии, при которых теория струн работает в полную силу, сегодня недостижимы, а сама она предоставляет на выбор столько возможностей, что БАК вряд ли моментально ее подтвердит или опровергнет. В лучшем случае экспериментальные данные позволят более точно нащупать границы применимости этой теории. Скажем, обнаружение суперсимметрии не скажет решающего голоса в пользу теории струн, но может убедить ее сторонников, что они на правильном пути.

В числе тех, кто, затаив дыхание, ждет открытия SUSY, ученые, мучающиеся одним из интереснейших, если не самым интересным, вопросов современной науки: загадкой скрытой материи. Невидимая масса, разбросанная по Вселенной, давно лишила астрономов покоя. Дает о себе знать она только своим гравитационным притяжением. Например, звезды во внешних областях галактик двигаются немного не так, как можно было бы ожидать. Тайна темной материи - одна из мучительнейших головоломок астрономии. Некоторые ученые полагают, что ее решение может быть хоть и весомым, но невидимым - суперсимметричными частицами-двойниками. Кто знает, не набит ли наш вселенский шаттл суперсимметричным грузом? Возможно, недалек тот день, когда самый высокоэнергичный прибор в мире доберется до ускользающего от нашего глаза природного фрахта.

Нечего и думать разгадать все эти загадки без столкновений частиц высоких энергий, тщательно отслеживаемых хитроумными детекторами, которые определяют свойства массивных осколков. Эти методы уходят корнями в прошлое. Бомбардировка частицами для исследования внутренней структуры материи начала применяться более века назад. Первой в 1909 г. под удар себя подставила золотая фольга. Приборы, правда, в то время были намного проще.

Тогда ученых интересовало устройство атома. О его внутренней структуре было известно очень мало, пока в игру не вступили бомбардирующие частицы. Нельзя расколоть кокос пальмовым листом, для этого как минимум нужна добротная киянка и жесткие и меткие удары. А вот атом под силу только специальной кувалде, крепко сжимаемой в умелых руках.

На золотых приисках. Эксперименты Резерфорда по рассеянию альфа-частиц

Теперь я знаю, как выглядит атом!

Эрнест Резерфорд, 1911 г.

Однажды в фермерской глубинке той страны, что маори называют Аотеароа, Страна Длинного Белого Облака, юный поселенец копал картошку. С завидным упорством парень лопатой вгрызался в землю, добывая урожай, который помог бы его семье пережить трудные времена. Вряд ли он там надеялся найти золотые самородки - в отличие от других частей Новой Зеландии, его район не славился приисками, - однако ему было уготовано золотое будущее.

Эрнест Резерфорд, которому было суждено первому заглянуть в недра атома, родился в семье первых переселенцев в Новую Зеландию. Его дедушка Джордж Резерфорд, колесный мастер из шотландского Данди, приехал в колонию Нельсон на окраине Южного острова, чтобы помочь построить лесопилку. Когда она была готова, Резерфорд-старший перевез семью в поселок Брайтуотер (ныне Спринг-Грув) к югу от Нельсона, в долине реки Вайроа. Там сын Джорджа Джеймс, выращивавший лен и тем зарабатывавший себе на жизнь, взял в жены английскую эмигрантку Марту, которая и родила Эрнеста 30 августа 1871 г.

В нельсонской школе и позже в Кентерберийском колледже в Крайстчерче, самом крупном и самом английском городе на Южном острове, Резерфорд показал себя прилежным и способным учеником. Один из однокашников будущего ученого запомнил его как «непосредственного, искреннего, простого и очень приятного молодого человека, который хоть и не был вундеркиндом, но если уж видел цель, то сразу схватывал главное»11.

Эрнест Резерфорд (1871-1937), отец ядерной физики.

Ловкие руки Резерфорда творили чудеса с любым механическим прибором. Юношеские увлечения экспериментатора хорошо подготовили его к тонким манипуляциям с атомами и атомными ядрами. Со сноровкой, достойной хирурга, он разбирал часы, создавал действующие модели водяных мельниц и даже смастерил любительскую камеру, чтобы делать снимки. В Кентербери, узнав об электромагнитных явлениях, открытых в Европе, он загорелся целью соорудить собственную установку. Следуя Герцу, он собрал радиопередатчик и приемник, предвосхитившие изобретение беспроводного телеграфа Маркони[12]. Резерфорд продемонстрировал, что радиоволны могут распространяться на большие расстояния, проходить сквозь стены и намагничивать железо. Его оригинальные опыты дали ему возможность претендовать на место в английском Кембридже.

Так совпало, что в год, когда Резерфорд появился на свет, в Кембридже была организована новая физическая лаборатория, первым директором которой стал Максвелл. Кавендишская лаборатория, названная. так в честь блестящего физика Генри Кавендиша[13](он, кстати, кроме прочего, первым выделил водород как химический элемент), превратилась в мировой центр атомной физики. Она расположилась на улочке Фри-Скул-Лейн, недалеко от центра прославленного университетского городка. Сам Максвелл руководил постройкой и подбирал оборудование для первой в мире физической исследовательской лаборатории. После смерти Максвелла в 1879 г. кресло директора занял другой известный физик, лорд Рэлей. А в 1884 г. бразды правления взял в свои руки неподражаемый Дж. Дж. (Джозеф Джон) Томсон.