Наукпоп

16 червня, 20:03

Ексклюзив НВ

У Всесвіті більше немає секретів? Чому фізика тупцює на місці з часів відкриття бозона Хіггса

Десять років тому фізики вразили світ неймовірним відкриттям: вони відкрили бозон Хіггса — наріжний камінь Стандартної моделі. Проте після цього, на думку багатьох науковців, фізика «застрягла». Чи це так насправді?

Існування бозона Хіггса було передбачено ще 1964 року фізиком-теоретиком Пітером Хіггсом, проте експериментального виявлення довелося чекати майже 50 років. Лише у 2012 році після аналізу результатів роботи Великого адронного коллайдера АК) вчені змогли довести існування цієї загадкової частинки.

Бозон Хіггса — це квант скалярного поля, взаємодія з яким дає масу всім елементарним частинкам. З огляду на те, що виявлення бозона Хіггса і було однією з головних цілей ВАК, ця новина стала справжнім фурором для наукового світу.

Однак після цього настало затишшя, а найбільше побоювання учених — що ВАК у результаті доведе існування бозона Хіггса, не здійснивши крім цього жодних великих відкриттів — почав набувати дедалі чіткіших обрисів. І поки що цей страх збувається.

Передплатіть, щоб прочитати повністю

Нам необхідна ваша підтримка, щоб займатися якісною журналістикою

Передплатити
Перший місяць 1 ₴. Відмовитися від передплати можна у будь-який момент

Варто, звісно, зробити поправку на те, що ВАК повернеться до роботи після трирічної модернізації лише 5 липня. Це буде третій із запланованих п’яти запусків. Нове головне завдання колайдера — знайти «нову фізику», тобто будь-які відхилення від Стандартної моделі. В ідеалі ВАК працюватиме ще 16 років і збере в десятки разів більше даних, у яких вчені зможуть знайти щось, що переверне наше розуміння світу.

Найліпше, що є у науковців

Навіть зараз, через тисячі гіпотез, теорій, досліджень та експериментів, ми все одно далекі від розуміння того, як влаштований наш Всесвіт. Найближче до розгадки цієї таємниці ми наблизилися в межах Стандартної моделі — фактично найкращої наукової теорії, яку створило людство. Останні зміни до неї внесли ще у 1970-х роках, після експериментального підтвердження існування кварків, а доказ існування бозона Хіггса «закрив» нашу «ідеальну» теорію.

«Це чудова теорія, вершина 400 років наукових досліджень. Однак очевидно, що Стандартна модель — це не останнє слово у фізиці. З часів відкриття бозона Хіггса фізики начебто мене відчувають, що Стандартна модель є надто успішною. Вона дає правильні відповіді під час практично кожного експерименту, який ми проводимо», — каже Девід Тонг, фізик-теоретик із Кембриджського університету.

Незважаючи на те що стандартну модель розробляли багато років, ми знаємо, що вона є не зовсім цілковитою. Вона пояснює взаємодію елементарних частинок трьома силами — електромагнетизмом, а також сильною та слабкою ядерною взаємодією.

Проте Стандартна модель жодним чином не пояснює існування гравітації, а також вона невидиму для наших очей та телескопів присутність темної матерії і темної енергії. Фактично ми не розуміємо, як працює практично 95% нашого Всесвіту.

Наприклад, чорна матерія напевно складається з невідомих нам частинок, які не взаємодіють зі світлом. Цілком можливо, що у них є свої бозони та сили, що впливають на їхню взаємодію. Цією силою може виявитися та сама гравітація, проте фізики досі не виявили жодного її впливу на елементарні частинки.

Ще одна потенційна «прогалина» в Стандартній моделі — гравітаційні хвилі. Це «відлуння», яке розходиться Всесвітом внаслідок найпотужніших космічних подій на кшталт зіткнення чорних дір або галактик. Вчені припускають, що гравітаційні хвилі можуть складатися з елементарних гіпотетичних частинок — гравітонів. Проте довести їхнє існування ніхто поки що так і не зумів.

Тонг сподівається, що в результаті подальших досліджень вченим таки вдасться вийти на сліди «нової фізики» — гіпотетичної п’ятої сили природи: «Зараз ми сподіваємося знайти експеримент, який дасть таку відповідь, котру Стандартна модель не зможе пояснити — адже тільки таким чином ми зможемо вияснити, що лежить далі», — стверджує він.

В ідеалі в цьому фізикам має допомогти ВАК, проте після виявлення бозона Хіггса він так і не виявив жодних аномалій, які випадають за межі існуючих знань.

Що може врятувати фізику

2022 рік вже став досить плідним на відкриття, особливо на тлі «тихого» попереднього періоду.

На початку 2022 року вченим вдалося виміряти час життя бозона Хіггса — воно збіглося з передбаченням Стандартної моделі в межах експериментальної похибки. Нещодавно команда американських учених під керівництвом фізиків з Бостонського коледжу виявила «двоюрідного брата» бозона Хіггса — осьовий бозон Хіггса.

Від звичайного бозона Хіггса нова частинка вирізняється наявністю магнітного поля, тому для пояснення її існування знадобиться складніша теорія.

Теорії, що передбачали існування осьового бозона Хіггса, пояснювали також темну матерію. Якщо висловлюватися просто — то, можливо, вченим вдалося виявити частинку, яка дійсно вибивається зі Стандартної моделі і може виявитися одним із найзагадковіших компонентів космосу.

Нещодавня робота фізиків з міжнародної колаборації CDF показала, що W-бозон — елементарна частинка, що відповідає за слабку взаємодію — може бути на 0,09% важчою, ніж передбачала Стандартна модель. І хоча на перший погляд відмінність здається несуттєвою, якщо результат підтвердиться, ми опинимося на порозі першої серйозної зміни законів фізики елементарних частинок за останні пів століття.

У науковців є ще кілька цікавих зачіпок: один з експериментів показав, що мюон може мати більше магнітного поля, ніж передбачає Стандартна модель. Теоретично це може свідчити про існування невідомої нам елементарної частинки, наприклад, Z-бозону або лептокварку.

Точку у вирішенні питання поставить Великий адронний колайдер. Вчені очікують, що вже найближчими роками вони зможуть проаналізувати отримані зразки W-бозонів. «Мені здається, що ми вже наблизились до великого відкриття. Згодом ми справді зуміємо вийти за межі Стандартної моделі», — запевняє Аїда Ель-Хадра, фізик-теоретик з Університету Іллінойсу.

Перспективним для додаткових досліджень є власне бозон Хіггса. Крім його «двюрідного брата», про який ми згадували вище, фізики помітили, що ця частинка розпадається на мюон і антимюон. Коли науковцям удасться уточнити швидкість цього розпаду, ми розумітимемо, чи вона відрізняється від тієї, яку прогнозує Стандартна модель. Будь-яке відхилення буде вказувати на досі не відкриті частинки.

Гаррі Кліфф, фізик із Кембриджського університету, який працює на Великому адронному колайдері, пояснює, що у разі виявлення раніше невідомої частинки чи фізичної сили, Стандартну модель не можна буде просто підправити — перед вченими постане складне завдання, щоб виявити, як ця нова фізика працюватиме з уже відомими взаємодіями.

Однак це набагато приємніший головний біль, ніж те, чого бояться менш оптимістично налаштовані вчені. Скажімо, фізик з Міннесотського університету Марвін Маршак проводить паралель з пустелею, яка є завширшки настільки, що вченим, які заблукали в ній, доведеться блукати там невідомо скільки часу. Якщо ж фізикам таки не вдасться досягнути якихось великих проривів, дослідникам стане дещо складніше переконати уряди виділити кошти на потужніший і найдорожчий колайдер, який допоміг би провести додаткові експерименти.

Можна з упевненістю стверджувати, що наступний запуск ВАК буде історичним. Або науковці зможуть підтвердити існування нової фізики, або вони так і залишаться блукати в пустелі з розумінням того, що оазис існує, проте він знаходиться десь так далеко, що дійти до нього забракне сили.

Другие новости

Всі новини