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.

---

То есть Рэндалл и Сундрум придумали, как ослабить гравитацию, не привлекая большие дополнительные размерности. В их изящном способе за счет искривления пространства контейнера волновая функция гравитонов начинает концентрироваться вдали от нашей браны. Величина этого искривления напрямую зависит от расстояния от нашей браны в «лишнем» измерении. Как на море - чем дальше от берега, тем глубже. В итоге, гравитоны с большей вероятностью появляются вблизи «чужой» браны и лишь иногда заглядывают в нашу. Следовательно, они редко встречаются с частицами из нашего мира, и гравитация оказывается слабее всех остальных взаимодействий.

Разницу в подходах АДД и Рэндалл-Сундрума проиллюстрируем на примере планирования парковки, задача которой - освободить обочины главной городской магистрали от бесчисленных авто. Первый вариант (соответствующий модели АДД) - разбить в стороне просторную стоянку на одном уровне с магистралью. Однако место в мегаполисах на вес золота, поэтому проектировщики, возможно, захотят вырыть глубокий подземный гараж, в который машины будут попадать по специальным съездам. Цель достигнута - на обочинах автомобилей нет, но в отличие от первого случая городской пейзаж почти не пострадал. Этот второй вариант как раз в духе гипотезы Рэндалл-Сундрума.

Доведем аналогию до конца. Главная магистраль у нас будет играть трехмерного пространства, в котором мы живем, количество припаркованных на ней автомобилей будет являться мерой гравитационного взаимодействия, а съемки со спутника станут показаниями наших приборов. Когда нет нормальных стоянок и главная магистраль загромождена машинами, мы имеем дело с трехмерным пространством, в котором силы тяготения гораздо интенсивнее, чем наблюдается в природе. Ситуация с наружной парковкой соответствует слабой гравитации и большому дополнительному измерению, которое бы ученые легко углядели. Наконец, случай подземной парковки дает нам представление, как гравитацию ослабить, а дополнительное измерение спрятать от любопытных взоров экспериментаторов. Если кто-то попытается оценить дорожную обстановку со спутника, он примет эту местность за тихий городок, где машины большая редкость. Так и взгляд физиков, наблюдающих Вселенную, упирается в маску - из слабой гравитации и всего лишь трех измерений.

Если контейнер действительно, как пылесос, всасывает в себя гравитоны, то можно ли как-то засечь эту утечку с помощью БАК? Один из способов, который, кстати, уже пробовали применить на «Теватроне», - поиск таких событий, когда осколки столкновений выбирают какое-то выделенное направление. Эта асимметрия говорит о том, что некоторую долю энергии и импульса уносит непойманная частица (или частицы). Ею может оказаться гравитон, но сначала надо научиться исключать другие, гораздо более вероятные исходы, например вылет нейтрино. К сожалению, сегодня даже герметичные детекторы вроде АТЛАСа не способны задержать нейтрино. Его вообще почти ничто в природе не в силах остановить. О присутствии нейтрино судят лишь по недостаче импульса, предполагая, что виновна в ней только эта частица. Как надеются некоторые физики, статистические модели рождения нейтрино на ускорителях когда-нибудь станут настолько совершенными, что помогут с запасом отличить реальную картину от ожидаемой. Ответственность за это расхождение тогда можно будет возложить на гравитоны, сбегающие из столкновений через потусторонние ходы.

Чтобы убедиться в существовании «лишних» измерений, можно также попытаться поискать гипотетическую башню Калуцы-Кляйна, носящую имя одного из провозвестников единой теории поля, немецкого математика Теодора Калуцы, а также уже нам известного Кляйна. Так называется набор возбуждений, образованный населяющими контейнер частицами, которые как бы отбрасывают тени на нашу брану. Мы будем их воспринимать как частицы с зарядами, спинами и другими такими же свойствами, как у знакомых нам частиц, но обладающие необычайно большими массами.

В знаменитом «театре теней», описанном Платоном, узники с самого детства прикованы в пещере к своим местам так, что не в состоянии заглянуть в просвет. Они смотрят на стену прямо перед собой и принимают отбрасываемые на нее тени за чистую монету. Они, например, думают, что тени проходящих мимо людей, несущих различную утварь, - это реальные персонажи. В конце концов один узник сбегает, узнает про мир вне пещеры и рассказывает остальным об их заблуждении.

Подобным же образом данные с БАК (полученные АТЛАСом или CMS), может быть, станут для нас теми самыми «тенями на стене», по которым мы будем судить о частицах, бороздящих просторы полноразмерного пространства. У этих частиц должна быть «лишняя» компонента импульса, связанная с дополнительной степенью свободы. Поскольку самого измерения мы не видим, мы не можем наблюдать и то, как вдоль него движется частица. Зато из-за дополнительной составляющей импульса у частицы появляется излишек энергии, а значит, и массы. Ученые надеются, что энергия самых легких возбуждений Калуцы-Кляйна придется на нижнюю границу ТэВного диапазона и их удастся пронаблюдать на БАК.

Проявлениям калуца-кляйновских гравитонов и других частиц, поставляемых дополнительными измерениями, посвящены целые кипы статей. Среди каналов распада называются и превращение в электрон-позитронные пары, и в мюон-антимюонные, и т. д. По энергии продуктов можно будет сказать, что именно распалось. Изучая эти возбуждения, Мы смогли бы получить ценную информацию о размере, форме и остальных свойствах контейнера.

Поиск намеков на дополнительные измерения в список насущных задач БАК не входит. Но узнай мы, что наше мироздание покоится на ходящем ходуном фундаменте, нам, возможно, придется вооружиться мастерками и сменить кладку у физики элементарных частиц. Вдруг мы, как платоновские пещерные люди, до сих пор имели дело лишь с тенями, отбрасываемыми извне? С другой стороны, если все ограничивается привычным трехмерным пространством да временем, погоня за дополнительными измерениями ни к чему не приведет. Тогда теоретики вынуждены будут выдумать еще какой-нибудь правдоподобный ответ на вопрос, почему другие силы перевешивают гравитацию.

Кто знает, может быть, над БАК парит дух Вольтера, увлекаемый вихрями частиц, бегающими по кругу под деревушкой Ферней, где когда-то творил писатель. Он смотрит на поиски других возможных миров и улыбается. Кажется ли это ему стоящим научным занятием или он нас считает последователями Панглоса с его «метафизико-теолого-космолонигологией»? А возможно, он попросту порадуется, что нашел себе пристанище в «un jardin ouvert sur le monde», который и наверху, и внизу возделывают прилежные садовники, запасая пищу для ума и тела.

Черные мини-дыры - конец света или начало новой науки?

Человеческий ум не мог себе и вообразить нечто такое, что меньше атома, но весит тонны… Нечто удивительно прожорливое, прожорливое настолько, что чем больше оно ест, тем прожорливее становится.

Дэвид Брин. Земля. 1990 г. Я Смерть, продвигаясь, миры разрушаю…

Роберт Оппенгеймер, перефразируя Бхагавад-гиту [30] после испытания первой атомной бомбы.

Бытует мнение, что у ученых не все дома. Однако кинематографические образы, начиная с доктора Калигари и заканчивая доктором Зло, имеют с действительностью мало общего: если не считать редких безобидных чудаков, ученых, которые и вправду не в себе, можно пересчитать по пальцам. Но культурные стереотипы сломать непросто. Особо впечатлительные личности уверены, что среднестатистический экспериментатор только и думает, как бы уничтожить все человечество.

Здесь речь идет о мирных научных исследованиях, призванных пополнять копилку человеческого знания. В наше время, когда проекты проходят согласование в многочисленных инстанциях, а любая нештатная ситуация грозит закончиться судебным разбирательством, экспериментаторы, как правило, делают все возможное, чтобы не подвергнуть общество опасности. Людям свойственно ошибаться, но кто-кто, а ученые, пожалуй, всегда отличались осторожностью. Забудем на минуту про образ «безумного профессора». Когда вам попадается в газете новость о химическом выбросе, что, скорее всего, будет говориться о его причинах: авария на промышленном предприятии или провалившийся научный эксперимент? Осмелюсь предположить, что вероятнее первое.

Впрочем, ни для кого не секрет, что в военное время отдельным ученым поручались гораздо более рискованные эксперименты. Желание противостоять тем ужасам, которые приносит с собой война, полностью меняет дело. Участники «Манхэттенского проекта», например, осознавали, насколько мощное и разрушительное оружие они создают и готовятся испытать. Никто не брался говорить наверняка, чего ждать от «Тринити», первой атомной бомбы (на плутонии), разорвавшейся в местечке с подходящим названием Хорнада-дель-Муэрто («Дорога мертвых»), штат Нью-Мексико. Ограничится ли взрыв пределами пустынного плато или, выйдя из-под контроля, распространится, возможно, на весь мир и вызовет неисчислимые жертвы?