Большой адронный коллайдер (БАК), являющийся крупнейшим инструментом исследования микромира, был запущен в Женеве в ноябре 2009 года. С этого момента ускоритель один за другим ставит рекорды энергии протонов, которые в тоннеле длиной в 27 км разгоняются практически до скорости света. Анализ результатов столкновения частиц должен помочь ученым глубже проникнуть в тайны возникновения Вселенной.
Бозон Хиггса можно представить в виде тоненькой салфетки, натянутой повсеместно
За год непрерывной работы коллайдера ученые ЦЕРНа уже успели анонсировать результаты нескольких необычных экспериментов. Наибольший интерес в обществе вызвало ожидаемое выявление бозона Хиггса, гипотетической частицы, которая в теории ответственна за появление масс у всех других частиц.
В четверг физики значительно продвинулись в решении загадки исчезновения антиматерии во Вселенной после Большого взрыва. Им впервые удалось получить и длительно удержать атомы антиводорода, которые, в отличие от атомов «обычного» водорода, состоят не из протонов и электронов, а из антипротонов и позитронов. Об этом эксперименте и других разработках ЦЕРНа рассказал профессор Московского инженерно-физического института Павел Невский.
ВЗГЛЯД: Павел Львович, в октябре на ускорителе зафиксировали событие, которое, в конце концов, может привести к выделению бозона Хиггса, или «частицы Бога». Действительно ли это историческое событие, сравнимое, например, с открытием атома?
Павел Невский: «Частица Бога» – это совершенно искусственное название, во многом притянутое за уши. Из этой частицы, наоборот, ничего не состоит, поэтому с открытием атома я бы сравнивать не стал. Хитрость как раз в том, что бозон Хиггса может существовать везде, во всем пространстве и не материализоваться нигде. Частица интересна тем, что ее обнаружение подтвердит новую теорию. Например, мы сможем ответить на вопрос, почему частицы одних веществ при прочих одинаковых свойствах намного тяжелее других. Таким образом, частица Хиггса – только лишний винтик в сложной машине.
ВЗГЛЯД: Если из бозонов Хиггса «ничего не состоит», как они могут определять массу всего существующего на Земле?
П. Н.: Бозон Хиггса можно представить в виде тоненькой салфетки, натянутой повсеместно. Наглядный пример: кладем на эту салфетку две бутылки – стеклянную и пластмассовую. Стеклянная прогибает салфетку сильнее, поэтому и сопротивляется толчку больше. А теперь кладем две бутылки рядом. Образуется некая общая ямка, куда они скатываются. Человек, глядящий на это издалека, не видит салфетки и говорит: «О, смотрите, бутылки притягиваются!» На самом деле они друг про друга ничего не знают, они лишь лежат на одной салфетке и прогибают ее.
Физики пытаются доказать, что любая частица, связываясь с бозоном Хиггса, приобретает сопротивление толчку и притяжение. Существуют два понятия массы: одно показывает, как вас притягивает Земля, а второе – насколько вы сопротивляетесь толчку. При столкновении легкий человек отлетает быстрее, а тяжелый – медленнее. А факт, что все тела падают с одинаковым ускорением, доказывает, что эти совершенно разные массы абсолютно пропорциональны. Так не бывает, чтобы одно и то же тело участвовало в двух разных явлениях (в притяжении и сопротивлении-отталкивании) и между ними не было связи. Бозон Хиггса как раз и может объяснить эту связь.
ВЗГЛЯД: Недавний эксперимент, в результате которого БАК зафиксировал рождение четырех мюонов, обязательно указывает на появление бозона Хиггса? Ведь подобное может происходить и в результате других процессов?
П. Н.: Мюон – это единственная частица, которая долетает до Земли из космоса, поскольку слабо взаимодействует с веществом, а значит, может пройти километры. Безусловно, результат октябрьского эксперимента можно было получить в массе других процессов. Само появление комбинации из четырех мюонов ничего не доказывает. Здесь важно, чтобы масса четырех частиц в сумме всегда оставалась постоянной. Когда таких измерений наберется хотя бы десяток, мы сможем говорить об обнаружении или об отсутствии бозона Хиггса. Пока же единичное событие не позволяет утверждать, что найдена новая частица.
ВЗГЛЯД: И как скоро возможно открытие бозона Хиггса?
П. Н.: В следующем году статистика событий будет более обширной, и можно будет уже всерьез чего-то ожидать. Вообще, отвечая на подобные вопросы, я всегда вспоминаю то время, когда только начинал работать на ускорителе в Серпухове. Мы искали W-бозон, и все теоретики были уверены, что его масса должна составлять 8–9 масс протона. Тогда мы тоже говорили: «Вот, вот, почти уже видно». Открыли же его 20 лет спустя с массой в 10 раз больше.
ВЗГЛЯД: В БАК атомы свинца буквально плавятся и образуют «суп» из мельчайших частиц. Означает ли это, что физики действительно смоделировали Большой взрыв и теперь смогут рассказать о первых мгновениях существования вселенной?
П. Н.: В момент рождения вселенной плотность энергии была необычайно высока. Безусловно, мы не можем до конца воссоздать такие условия. Кроме того, важно понимать, что в этом случае в ускорителе сталкиваются не протоны, а ядра, состоящие из примерно двух сотен таких протонов, то есть происходит одновременное соударение множества частиц и образуется «каша».
Существует направление физики, которое со скептицизмом относится к такому подходу. Его представители считают, что мы не можем называть это моделированием Большого взрыва, поскольку не знаем до конца деталей соударений даже одиночных протонов.
Тем не менее, на мой взгляд, даже не зная механику одного соударения, по статистическому поведению всего ансамбля можно сделать интересные выводы.
ВЗГЛЯД: Есть ли в таком случае возможность воспроизвести и сам процесс появления жизни во вселенной?
Если мы полностью узнаем структуру материи, вероятно, сможем открыть новые источники энергии
П. Н.: Мы же воссоздаем лишь короткий миг существования материи, речь идет о микросекундах. Сам процесс развития можно смоделировать только на компьютерах.
Во Вселенной на развитие жизни ушло 14 млрд лет...
ВЗГЛЯД: Какое практическое применение можно найти результатам такого эксперимента?
П. Н.: Представляете, что ответил бы на такой вопрос Фарадей, который 200 лет назад исследовал электричество? Думаете, он бы вам про мобильные телефоны рассказал? Но если мы полностью узнаем структуру материи, вероятно, сможем открыть новые источники энергии.
ВЗГЛЯД: Ученые не исключают подтверждения в ходе таких экспериментов идей оксфордского теоретика Дэвида Дойча о существовании параллельных миров и возможности путешествия во времени. То есть это не просто фантастика?
П. Н.: Путешествия во времени – это фантастика. Что касается параллельных миров, то как раз на этот вопрос ускоритель может ответить. Существует теория суперсимметричных частиц. Суть ее заключается в том, что у всех известных частиц есть некие «партнеры», которые и составляют «другой» мир. До сих пор эту версию никому опровергнуть не удалось, значит, она имеет право на существование.
ВЗГЛЯД: В августе Федеральный апелляционный суд США отклонил апелляцию физика Уолтера Вагнера, иск которого с требованием остановить работу БАК, не был принят в 2008 году. При этом детали не уточняются. О каких «потенциально неблагоприятных последствиях» могла идти речь?
П. Н.: Во-первых, если вы называете Вагнера физиком, то мне становится обидно: он затратил всего один год в американском университете на изучение курса общей физики. Во-вторых, всем физикам уже известно, что создание макроскопической черной дыры в системе БАК невозможно. Как известно, Земля уже в течение 14 млрд лет бомбардируется из космоса элементарными частицами гораздо более высоких энергий, чем на ускорителе, и ничего страшного не происходит. По сути, мы воссоздаем естественные условия. Если бы мы могли бегать с детекторами, чтобы знать, где именно произойдет следующее соударение, ускоритель строить бы не пришлось.
ВЗГЛЯД: В четверг ученым удалось получить частицы антивещества. Каким образом это поможет физикам понять, в чем же состоит загадочная «уязвимость» антиматерии, которая привела к ее исчезновению?
П. Н.: Теперь задача ученых – сохранить полученное антивещество максимально длительное время. Это поможет изучить антиматерию более детально, ведь до сих пор мы не могли найти ничего, что бы отличало ее от обычной материи. Поэтому ее отсутствие в мире и остается загадкой.
ВЗГЛЯД: Завершается первый этап работы БАК. Каков масштаб участия России во втором этапе исследований?
П. Н.: Если делить работу БАК на этапы, то до 2010 года велись строительство и подготовка к эксперименту. Только в этом году мы перешли непосредственно к опытам и измерениям. Когда машина будет остановлена для прохождения техобслуживания, пока неизвестно. Вероятнее всего, это произойдет в 2013 году.
Вклад России во второй этап пока сложно оценить, поскольку результатов экспериментов еще нет. Что касается финансовой стороны вопроса, то строительство БАК велось примерно наполовину за счет европейского сообщества, а вклад России составлял примерно одну шестую часть этой стоимости, даже притом что Россия не имеет постоянного статуса члена ЦЕРНа. По-моему, это очень заметная доля.
ВЗГЛЯД: А какие преимущества дает статус постоянного члена ЦЕРНа?
П. Н.: Это означает более прямой и широкий доступ российских институтов и университетов к участию в проводимых здесь экспериментах, а также возможность использовать научные базы организации. Это бы увеличило вклад российских ученых в мировую науку.
Кстати, получение членства осложняется еще и тем, что определенный процент от федерального бюджета страны должен идти на научные исследования ЦЕРНа, а у России всегда были трудности с этим. Если выполнить это требования, то практически все средства, предназначенные науке, пойдут на развитие физики высоких энергий, что тоже не совсем правильно.