Научпоп

16 июня, 20:03

Эксклюзив НВ

У Вселенной больше нет секретов? Почему физика топчется на месте со времен открытия бозона Хиггса

Десять лет назад физики потрясли мир невероятным открытием: они нашли бозон Хиггса — краеугольный камень Стандартной модели. Однако после этого по мнению многих ученых, физика «застряла». Так ли это на самом деле?

Существование бозона Хиггса было предсказано еще в 1964 году физиком-теоретиком Питером Хиггсом, однако экспериментального обнаружения пришлось ждать почти 50 лет. Лишь в 2012 году после анализа результатов работы Большого адронного коллайдера (БАК) ученые смогли доказать существование этой загадочной частицы.

Бозон Хиггса — это квант скалярного поля, взаимодействие с которым дает массу всем элементарным частицам. Учитывая, что обнаружение бозона Хиггса и было одной из главных целей БАК, эта новость стала настоящим фурором для научного мира.

Однако после этого наступило затишье, а самый большой страх ученых — что БАК в итоге докажет существование бозона Хиггса, больше не совершив никаких больших открытий — начал приобретать все более четкие очертания. И пока что этот страх сбывается.

Подпишитесь, чтобы прочитать целиком

Нам необходима ваша поддержка, чтобы заниматься качественной журналистикой

Подписаться
Первый месяц 1 ₴. Отписаться можно в любой момент

Стоит, конечно же, сделать поправку на то, что БАК вернется к работе после трехлетней модернизации лишь 5 июля. Это будет третий из запланированных пяти запусков. Новая главная задача коллайдера — найти «новую физику», то есть какие-либо отклонения от Стандартной модели. В идеале БАК проработает еще 16 лет и соберет в десятки раз больше данных, в которых ученые и смогут найти нечто, что перевернет наше понимание мире.

Лучшее, что есть у ученых

Даже сейчас, спустя тысячи гипотез, теорий, исследований и экспериментов, мы все равно далеки от понимания того, как устроена наша Вселенная. Ближе всего к разгадке этой тайны мы приблизились в рамках Стандартной модели — фактически лучшей научной теории, которую создало человечество. Последние изменения в нее внесли еще в 1970-х годах, после экспериментального подтверждения существования кварков, а доказательство существования бозона Хиггса «закрыло» нашу «идеальную» теорию.

«Это прекрасная теория, вершина 400 лет научных исследований. Однако очевидно, что Стандартная модель — это не последнее слово в физике. Со времен открытия бозона Хиггса, физики вроде меня чувствуют, что Стандартная модель слишком успешна. Она дает правильные ответы во время практически каждого эксперимента, который мы проводим», — говорит Дэвид Тонг, физик-теоретик из Кембриджского университета.

Несмотря на то, что Стандартную модель разрабатывали на протяжении многих лет, мы знаем, что она неполная. Она объясняет взаимодействие элементарных частиц тремя силами — электромагнетизмом, а также сильным и слабым ядерным взаимодействием.

Однако Стандартная модель никак не объясняет существование гравитации, а также невидимое для наших глаз и телескопов присутствие темной материи и темной энергии. Фактически, мы не понимаем, как работает практически 95% нашей Вселенной.

К примеру, темная материя наверняка состоит из неизвестных нам частиц, которые никак не взаимодействуют со светом. Вполне возможно, что у них есть свои бозоны и силы, влияющие на их взаимодействие. Этой силой может оказаться все та же гравитация, однако физики до сих пор не обнаружили никакого ее воздействия на элементарные частицы.

Еще одна потенциальная «дырка» в Стандартной модели — гравитационные волны. Это «эхо», которое расходится по Вселенной вследствие мощнейших космических событий вроде столкновения черных дыр или галактик. Ученые предполагают, что гравитационные волны могут состоять из гипотетических элементарных частиц — гравитонов. Однако доказать их существование никто пока так и не сумел.

Тонг надеется, что в результате дальнейших исследований ученым все-таки удастся выйти на следы «новой физики» — гипотетической пятой силы природы: «Сейчас мы надеемся найти эксперимент, который даст такой ответ, который Стандартная модель не сможет объяснить — ведь только так мы сможем понять, что же лежит дальше», — говорит он.

В идеале в этом физикам должен помочь БАК, однако после обнаружения бозона Хиггса он так и не обнаружил никаких аномалий, которые выпадают за рамки существующих знаний.

Что может спасти физику

2022-й год уже стал достаточно плодовитым на открытия, особенно на фоне «тихого» предыдущего периода.

В начале 2022 года ученым удалось измерить время жизни бозона Хиггса — оно совпало с предсказанием Стандартной модели в рамках экспериментальной погрешности. В совсем недавно команда американских ученых под руководством физиков из Бостонского колледжа обнаружила «двоюродного брата» бозона Хиггса — осевой бозон Хиггса.

От обычного бозона Хиггса новая частица отличается наличием магнитного поля, а потому для объяснения ее существования требуется более сложная теория.

Теории, которые предсказывали существование осевого бозона Хиггса, объясняли также темную материю. Если говорить просто — то, возможно, ученым удалось обнаружить частицу, которая действительно выбивается из Стандартной модели и может оказаться одним из самых загадочных компонентов космоса.

Недавняя работа физиков из международной коллаборации CDF показала, что W-бозон — элементарная частица, отвечающая за слабое взаимодействие — может быть на 0,09% тяжелее, чем предсказывала Стандартная модель. И, хотя на первый взгляд разница кажется несущественной, если результат подтвердится, мы окажемся на пороге первого серьезного изменения законов физики элементарных частиц за последние полвека.

У ученых есть еще несколько интересных зацепок: один из экспериментов показал, что мюон может обладать большим магнитным полем, чем предполагает Стандартная модель. Теоретически это может говорить о существовании неизвестной нам элементарной частицы — например, Z-бозона или лептокварка.

Точку в решении вопроса поставит Большой адронный коллайдер. Ученые ожидают, что уже в ближайшие годы они сумеют проанализировать полученные образцы W-бозонов. «Мне кажется, что мы уже близки к моменту большого открытия. Скоро мы действительно сумеем выйти за пределы Стандартной модели», — говорит Аида Эль-Хадра, физик-теоретик из Университета Иллинойса.

Перспективным для дополнительных исследований является и сам бозон Хиггса. Помимо его «двоюродного брата», о котором мы упоминали выше, физики заметили, что эта частица распадается на мюон и антимюон. Когда ученым удастся уточнить скорость этого распада, мы будем понимать, отличается ли она от той, которую прогнозирует Стандартная модель. Любое отклонение будет указывать на до сих пор не открытые частицы.

Гарри Клифф, физик из Кембриджского университета, работающий на Большом адронном коллайдере, объясняет, что в случае обнаружения ранее неизвестной частицы или физической силы, Стандартную модель нельзя будет просто подправить — перед учеными будет стоять сложная задача, чтобы выявить как эта новая физика будет работать с уже известными взаимодействиями.

Однако это намного более приятная головная боль, чем то, чего боятся менее оптимистично настроенные ученые. К примеру, физик из Миннесотского университета Марвин Маршак проводит параллель с пустыней, которая широкая настолько, что заблудившимся в ней ученым придется блуждать в ней неизвестно сколько времени. Если же физикам все-таки не удастся достичь каких-то больших прорывов, исследователям будет еще сложнее убедить правительства выделить средства на более мощный и дорогой коллайдер, который помог бы провести дополнительные эксперименты.

Можно с уверенностью утверждать, что следующий запуск БАК будет историческим. Либо ученые смогут подтвердить существование новой физики, либо они так и останутся блуждать в пустыне с понимаем того, что оазис существует, однако он находится где-то так далеко, что дойти до него не хватит сил.

Другие новости

Все новости