Иногда мелочи сводят с ума. К началу 20-го века физики, казалось, довольно хорошо зашили Вселенную между ньютоновской гравитацией и электромагнитными уравнениями Максвелла. Была только одна мучительная проблема: как объяснить радиоактивность. Обращение к нему вызвало научную революцию, которая открыла удивительную правду о мелочах: иногда они содержат вселенные.
Физика элементарных частиц и квантовая механика, науки о действительно крошечных, принесли физике еще две фундаментальные силы и целый зверинец странных элементарных частиц, но после 1970-х годов мало что оставалось, кроме как проверить и уточнить господствующую теорию,стандартная модельЕще 30 лет субатомных пятнышек, произведенных ускорителями и коллайдерами, заполнили ключевые пробелы, но осталось много вопросов: почему у одних частиц есть масса, а у других нет? Можем ли мы объединить четыре фундаментальные силы или заставить общую теорию относительности и квантовую механику работать вместе?
Может ли одна из этих оборванных нитей вызвать новую революцию? Чтобы это выяснить, потребуется более крупный и мощныйколлайдер частиц, чем когда-либо прежде, 16,8-мильное (27-километровое) кольцо сверхпроводящих магнитов, более холодное, чем космическое пространство, способное сталкивать частицы друг с другом на расстоянии около скорость света в сверхвысоком вакууме. 10 сентября 2008 года Большой адронный коллайдер (БАК) стоимостью 10 миллиардов долларов, созданный совместными усилиями сотен ученых и инженеров со всего мира, присоединился к кампусу ускорителей Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) и вскоре побил рекорды столкновений частиц.
Давайте оглянемся на то, что мы узнали до сих пор, начиная с самого известного открытия из всех.
5: Бозон Хиггса
В нашем макромире мы предполагаем, что все частицы имеют массу, какой бы маленькой она ни была. Но в микромиреэлектрослабая теория, которая связывает электромагнитное и слабое взаимодействие в одно базовое взаимодействие, предсказывает, что специальные частицы, называемыепосредниками, не должны иметь масса вообще; что является проблемой, потому что некоторые из них это делают.
Медиаторы являются переносчиками силы:Фотоныпередают электромагнетизм, абозоны W и Z несут слабую силу. Но в то время как фотоны не имеют массы, бозоны W и Z обладают значительной массой, порядка 100 протонов каждый.
В 1964 году физик Питер Хиггс из Эдинбургского университета и группа Франсуа Энглерта и Роберта Броута из Свободного университета Брюсселя независимо друг от друга предложили решение: необычное поле, передающее массу в зависимости от того, насколько сильно с ним взаимодействуют частицы.. Если бы этополе Хиггсасуществовало, то оно должно было бы иметь частицу-посредник,бозон Хиггса Но для его обнаружения потребовалась бы такая установка, как БАК..
В 2013 году физики подтвердили, что они обнаружили бозон Хиггса с массой примерно 126 гигаэлектронвольт (ГэВ) - общая масса около 126 протонов (эквивалентность массы и энергии позволяет физикам использовать электронвольты как единица массы). Это не только не закрыло книги, но и открыло целые новые области исследований стабильности Вселенной, почему она, кажется, содержит гораздо больше материи, чем антиматерии, а также состава и изобилия темной материи.
4: Тетракварки
В 1964 году два исследователя, пытавшиеся разобраться вадронах- субатомных частицах, подверженных сильному взаимодействию, - по отдельности пришли к идее, что они состоят из составляющих частиц с тремя типами. Джордж Цвейг назвал их тузами; Мюррей Гелл-Манн назвал ихкварками и обозначил их три типа, или вкуса, как «верхний», «нижний» и «странный». Позже физики определили три других вкуса кварков: «очарование», «верхний» и «нижний».
В течение многих лет физики делили адроны на две категории на основе двух способов их образования кварками:барионы(включая протоны и нейтроны) состоят из трех кварков, тогда какмезоны (такие как пионы и каоны) образовались парами кварк-антикварк. Но были ли это единственно возможные комбинации?
В 2003 году исследователи в Японии обнаружили странную частицуX(3872), состоящую из очарованного кварка, античарма и как минимум двух других кварков. Изучая возможное существование частицы, исследователи обнаружилиZ(4430), очевидную четырехкварковую частицу. С тех пор LHC обнаружил доказательства существования нескольких таких частиц, которые нарушают - или, по крайней мере, существенно изменяют - устоявшуюся модель расположения кварков. Такие Z-частицы мимолетны, но, возможно, процветали в течение микросекунды или около того после Большого взрыва.
3: Отсутствие суперсимметрии
Теоретики продвинулисуперсимметриюпо прозвищуSUSY, чтобы решить несколько назойливых вопросов, которые стандартная модель оставила без ответа, например, почему некоторые элементарные частицы иметь массу, как электромагнетизм, сильное и слабое ядерное взаимодействие могли когда-то быть связаны друг с другом и, возможно, из чего состоит темная материя. Он также установил заманчивую связь между кварками илептонами, из которых состоит материя, ибозонами, которые опосредуют их взаимодействие. Подобно барионам, упомянутым ранее, лептоны (например, электроны) принадлежат к группе субатомных частиц, называемыхфермионами, квантовые свойства которых противоположны бозонам. Тем не менее, согласно SUSY, каждому фермиону соответствует бозон, и наоборот, и каждая частица может превратиться в свою копию.
Если это правда, SUSY будет означать, что два типа элементарных частиц (фермионы и бозоны) являются просто двумя сторонами одной медали; он устранил бы некоторые неуправляемые бесконечные величины, возникающие в математике, позволив соответствующим частицам сокращаться; и это освободило бы место для гравитации - явное упущение в стандартной модели - потому что превращения фермион-бозон и бозон-фермион могут включатьгравитоны, долго теоретизируемые переносчики силы гравитации.
Физики надеялись, что LHC либо найдет доказательства в поддержку SUSY, либо обнаружит более глубокие проблемы, которые укажут на новую теоретическую и экспериментальную территорию. Пока ничего похожего не произошло, но пока не сбрасывайте со счетов суперсимметрию. SUSY существует во многих версиях, каждая из которых связана с определенными предположениями; БАК просто отобрал несколько наиболее элегантных и вероятных разновидностей.
2: Координированное движение
Когда ученые, калибрующие приборы LHC, пропустили обычные протон-протонные столкновения и вместо этого решили врезаться протонами в ядра свинца, они заметили удивительное явление: случайные траектории, которые обычно следовали получающиеся субатомные осколки, были заменены очевидной координацией.
Одна из теорий, выдвинутых для объяснения этого явления, гласит, что столкновение создало экзотическое состояние материи, называемоекварк-глюонной плазмой (КГП), которая текла как жидкость и производила скоординированные частицы как оно остыло. И Брукхейвенская национальная лаборатория, и БАК ранее создали QGP - самую плотную форму материи за пределами черной дыры - путем столкновения тяжелых ионов, таких как свинец и золото. Если КГП от столкновения протона со свинцом окажется возможным, это может существенно повлиять на представление ученых об условиях сразу после Большого взрыва, когда КГП пережил краткий расцвет. Есть только одна проблема: у столкновения не должно было быть достаточно энергии, чтобы взбить гипотетический творожный суп.
Хотя большинство физиков поддерживают эту идею, несмотря на ее проблемы, некоторые приводят доводы в пользу второго объяснения, включающего теоретическое поле, созданноеглюонами, частицами, которые передают сильное взаимодействие и склеивают кварки и антикварков в протоны и нейтроны. Гипотеза гласит, что глюоны, несущиеся со скоростью, близкой к скорости света, образуют поля, которые заставляют их взаимодействовать. Если эта модель верна, она может дать ценную информацию о структуре и взаимодействии протонов.
1: Признаки новой физики в конце концов или нет
Как бы нелогично это ни звучало, многие физики надеялись, что БАК проделает несколько дыр в стандартной модели. В конце концов, у этой структуры есть проблемы, и, возможно, одно или два потрясающих открытия подтвердят суперсимметрию или, по крайней мере, укажут на новые направления исследований. Однако, как мы уже упоминали, БАК неоднократно наносил удары по экзотической физике, подтверждая стандартную модель на каждом шагу. Конечно, результаты еще не все готовы (есть очень много данных для анализа), и БАК еще не достиг своей полной энергии в 14 тераэлектрон-вольт (ТэВ). Тем не менее, шансы на то, что стандартная модель будет выглядеть плохо, невелики.
Или может быть, если отчет 2013 года о распаде B-мезона является каким-либо признаком. На нем показаны B-мезоны, распадающиеся на K-мезон (также известный как каон) и два мюона (частицы, похожие на электроны), что никого не удивило бы, за исключением того, что распад следовал схеме, не предсказываемой стандартной моделью. К сожалению, в настоящее время исследование находится ниже порога «танцевать в лабораторных халатах». Тем не менее, он достаточно высок, чтобы вселять надежду, и анализ дополнительных данных может перевести его из красной зоны в конечную зону. Если это так, то странная картина распада может дать первое представление о новой физике, которую многие ищут.
Примечание автора: 5 открытий, сделанных Большим адронным коллайдером
После завершения строительства БАК некоторые задавались вопросом, что будет означать для физики отсутствие бозона Хиггса. Это был не просто основной смысл существования массивного атомного сокрушителя; это было своего рода стержнем стандартной модели.
Теперь есть более серьезная проблема, и она связана с измерениями космического фонового излучения, сделанными вторым поколением фонового изображения космической внегалактической поляризации (BICEP2). Если наблюдения BICEP2 окажутся верными, то поле Хиггса должно было быть достаточно энергичным во время Большого Взрыва, чтобы немедленно вызвать Большое Сжатие. Другими словами, если обе идеи верны, то нам не следует здесь спорить о том, почему обе они не могут быть истинными.