Шесть способов, с помощью которых ученые надеются "нащупать" новую физику за пределами стандартной модели
В 1973 году физик Стивен Вайнберг выступил с докладом во французском городе Экс-ан-Прованс. Именно там, по словам Вайнберга, он впервые использовал термин "стандартная модель" для описания зарождающегося описания фундаментальных составляющих Вселенной и их взаимодействий. И вот, спустя пятьдесят лет, стандартная модель физики частиц представляет собой поразительно точную картину того, из чего все состоит и как все это работает, порождая реальность.
Стандартная модель физики частиц не способна объяснить темную материю и темную энергию, которые вместе составляют 95 процентов нашей Вселенной. NASA, ESA, CSA, J. DePasquale (STScI)
Ну, почти все. И хотя этот 50-летний юбилей следовало бы хорошенько отпраздновать, не стоит игнорировать тот факт, что эта теория неполна. Она не объясняет ни гравитацию, ни то, почему во Вселенной так много материи и так мало антиматерии. И в ней ничего не говорится о так называемой темной материи и темной энергии, которые, как предполагается, объясняют, почему космос ведет себя определенным образом.
Именно по этой причине физики ведут активные поиски подсказок, которые могли бы "нашупать" более совершенную теорию. Но какие из них, если таковые вообще имеются, позволят нам "модернизировать" стандартную модель? Как найти самую лучшую версию? Ниже приводится мнение шести известных физиков о том, как, по их мнению, можно получить более полное представление о нашей реальности.
Коллизии на энергетических рубежах
Джон Баттерворт. Университетский колледж Лондона
Оспаривать стандартную модель физики частиц всегда довольно сложно. Так исторически сложилось, что большинство людей, попытавшихся это сделать, проиграли. Но в ближайшие полтора десятилетия ученые продолжат сталкивать протоны на Большом адронном коллайдере (БАК) и изучать беспорядочные последствия этих столкновений. И именно там, в деталях этих столкновений, возможно находятся свидетельства новой физики, выходящей за рамки стандартной модели.
Баттерворт изучает "энергетические рубежи". Он считает, что концентрация большого количества энергии в сталкивающихся субатомных частицах может открыть нам доступ к новой физике. В данном контексте используются два взаимосвязанных способа. Во-первых, если существует новая тяжелая частица, то при достаточном количестве энергии ее можно "получить". Во-вторых, высокоэнергетические коллайдеры — это, в некотором смысле, микроскопы с самым высоким разрешением. Чем выше энергия, тем больше разрешение, с которым мы можем исследовать структуру материи.
Ученые уже почти исчерпали все возможные способы увеличения энергии, но тем не менее планируют зарегистрировать еще около 10 миллиардов столкновений. "Чем больше, тем лучше", - говорит Баттерворт. "Определить, есть ли у нас физика за пределами стандартной модели, все равно что пытаться понять, честная эта игральная кость или нет. Шесть бросков кубика не скажут вам практически ничего, но 6 миллионов расскажут вам о многом".
При столкновении протонов на БАКе может произойти множество самых разнообразных событий. Например, могут образоваться множество бозонов Хиггса, W- и Z-бозоны, фотоны очень высоких энергий и адронные струи, возникающие из рассеянных кварков и глюонов. На данный момент мы выяснили, что это распределение примерно соответствует ожидаемому в стандартной модели. Но в некоторых случаях это очень приблизительное "примерно".
Некоторые важные типы столкновений - например, образование пар бозонов Хиггса, - на которые указывает стандартная модель, настолько редки, что их пока не удалось наблюдать. Многие концепции физики за пределами стандартной модели предсказывают то, что может легко скрываться под этим " примерно". В ближайшие несколько лет Баттерворт с коллегами планируют провести измерения, которые, возможно, позволят обнаружить их.
Он отмечает, что для этого необходимо сделать несколько вещей. Во-первых, необходимо проводить больше измерений для количественной оценки того, насколько хорошо работает стандартная модель, и во-вторых, они должны быть настолько независимы от теории, насколько это возможно. Нельзя полностью отказаться от теоретических предположений, достаточно просто минимизировать их влияние.
Что касается самой теории, то здесь необходимо повышать точность прогнозов. Например, масса Хиггса не измеряется напрямую, а определяется по частицам, образующимся при столкновении. Более точные предсказания, которые можно напрямую сравнить с результатами экспериментов, помогут лучше понять суть процессов, лежащих в их основе.
Известные физики рассказали, как, по их мнению, мы сможем обнаружить новые частицы или силы, которые позволят "полностью укомплектовать" один из величайших незавершенных шедевров науки. Столкновения на Большом адронном коллайдере могут помочь обнаружить новую физику. Джеймс Кинг-Холмс/Alamy
"И это уже происходит", - говорит Баттерворт. "В ближайшие несколько лет мы ожидаем жарких дискуссий о степени согласия или несогласия между теорией и экспериментом, как это было, например, в недавних дискуссиях об аномальном "магнитном моменте" мюона (см. раздел "Мюоны ведут себя странно").
Даже если все, что мы измеряем, согласуется со стандартной моделью, это все равно будет очень важно. Это будет означать, что мы установили, что физика за пределами стандартной модели лежит далеко за пределами массы Хиггса и, следовательно, возможностей нынешних коллайдеров частиц. Возможно, это не сильно поможет нам в понимании темной материи или других вопросов, на которые стандартная модель не дает ответа. Но мы не можем выбирать природу, мы можем лишь исследовать ее в меру своих возможностей, заключил Баттерворт.
Охота на космических хамелеонов
Клэр Буррадж. Ноттингемский университет, Великобритания
Стандартная модель не может объяснить существование 95 процентов содержимого Вселенной. Космологи считают, что эта неизвестная часть космического пространства на 27 процентов состоит из темной материи, которая сбивается в комки под действием гравитации, и на 68 процентов - из темной энергии, из-за которой происходит ускоренное расширение Вселенной. Существует множество гипотез о том, что из себя представляет темная материя. С другой стороны, темная энергия — это более загадочное явление. Буррадж решил заняться поиском новой силы, носителями которой могли бы стать новые частицы и которые могли бы объяснить природу темной энергии.
Буррадж считает, что частицы, связанные с ускоренным расширением Вселенной, должны обладать двумя свойствами. Во-первых, они должны быть очень легкими, а во-вторых, они должны опосредовать "пятую" силу - помимо гравитации, электромагнетизма, сильных и слабых сил - на космологических расстояниях. Многие точные эксперименты были направлены на поиск легких частиц и дальнодействующих пятых сил, но так их и не обнаружили.
Однако за последние несколько десятилетий ученые поняли, что окружающая среда может влиять на поведение пятой силы. В частности, если частица, передающая пятую силу, способна менять свою массу при изменении плотности окружающей среды, то сила может действовать только на малых расстояниях в плотных средах, и на больших в менее плотных.
Из-за способности изменять свои свойства и ускользать от обнаружения эти гипотетические частицы получили название "хамелеоны". Впрочем, это не значит, что их невозможно обнаружить, просто нужно более тщательно разрабатывать эксперименты, считает Буррадж.
Некоторые из объектов могут быть настолько малы, что хамелеону не хватит пространства внутри них, чтобы изменить свою массу, и тогда линия действия силы тоже не изменится. Предположим, что мы бросим теннисный мяч и атом на землю рядом друг с другом. Если пятая сила существует, атом будет падать быстрее, чем мяч.
"Уронить" один атом - задача не из легких, но с помощью новых экспериментальных методик мы можем очень точно измерить, как именно падают атомы, пишет Буррадж. "Для этого мы охлаждаем облака атомов, чтобы они стали как можно более неподвижными. Затем мы облучаем их лазером, чтобы возбудить электрон, вращающийся вокруг ядра атома, и перевести его с одного энергетического уровня на другой. Когда этот атом поглощает фотон из лазерного луча, электрон возбуждается, а сам атом при этом начинает двигаться.
В этот момент атом может находиться в суперпозиции двух состояний одновременно: одного, в котором он поглотил фотон и движется, и другого, в котором он не поглотил фотон и "стоит на месте". С помощью импульсов лазера можно разделить эти два состояния в пространстве, а затем вновь соединить их. В промежутках между импульсами атомы свободно падают под действием гравитации и гипотетической пятой силы. "Мы пытаемся обнаружить, заставляет ли сила темной энергии падать атомы быстрее, чем мы ожидаем",- говорит Буррадж.
Пока что эксперименты не обнаружили никаких доказательств существования новых сил, ограничивающих эти модели. Авторы проекта надеются, что в ближайшие несколько лет им удастся обнаружить частицы-хамелеоны или полностью исключить эту теорию. В любом случае, пишет Буррадж, мы приблизимся к пониманию загадочной части Вселенной, которая не может быть описана стандартной моделью
Квантовые сенсоры
Сурджит Раджендран. Университет Джона Хопкинса, Мэриленд
Ускорители заряженных частиц (коллайдер) оказали огромное влияние на наше понимание Вселенной, но эти удивительные машины не вполне одходят для поиска особого вида новой физики: частиц, слабо взаимодействующих с электронами или протонами, при их столкновении друг с другом.
Эксперимент Muon g-2 занимается поисками новой физики с помощью более тяжелых родственников электрона, называемых мюонами. Синди Арнольд /Фермилаб
Поиск этих так называемых "слабо связанных" частиц является важным направлением исследований, поскольку большая часть наблюдательных данных в отношении физики за пределами стандартной модели относится к "темной" физике - а именно к темной материи и темной энергии. Эта "темнота" означает, что они мало взаимодействуют с электронами, протонами, нейтронами и фотонами, используемыми в экспериментах.
Чтобы обнаружить слабо взаимодействующие частицы, сенсоры должны не только измерять мельчайшие эффекты, но и быть невосприимчивыми к шуму. Наука, позволяющая создавать технологии, решающие эти проблемы, называется прецизионным зондированием. За последние два десятилетия прорывы в этой области привели к созданию потрясающе точных датчиков, использующих достижения квантовой механики.
Чтобы создать высокоточный датчик, необходим практически совершенный эталон для измерений. Обратите внимание на тот удивительный факт, что в наблюдаемой нами Вселенной существует 10 ^80 атомов водорода, и каждый из них идентичен. В квантовых датчиках это используется для создания надежных меток, позволяющих проводить высокоточные измерения. В качестве примера можно привести эксперимент по поиску темной материи с помощью атомных часов, которые "тикают" в зависимости от поведения электронов в конкретных атомах.
Крупным научным достижением в области прецизионного зондирования является эксперимент LIGO. В нем используются устройства, называемые интерферометрами, для поиска гравитационных волн - пульсаций в пространстве-времени. Интерферометры регистрируют волны, обычно световые, которые взаимодействуют между собой, создавая узоры. По этим узорам можно судить о силах или полях, прошедших через прибор. Обнаружение гравитационных волн коллаборацией LIGO может стать своего рода предвестником физики, которую мы сможем открыть с помощью других квантовых датчиков.
“Физика — это экспериментальная наука”, - пишет Раджендран, - “поэтому без проведения экспериментальных исследований невозможно понять, что есть что. Это довольно неприятный факт для теоретика, который возможно захочет открыть теорию всего, просто сидя в кресле. Но, как бы отрезвляюще это ни звучало, я вижу в этом призыв к действию: новая физика существует, и наша задача - найти ее”.
Переосмысление физического смысла времени
Эмили Адлам Университет Чепмена, Калифорния
Мы привыкли считать, что время течет линейно. И даже стандартная модель традиционно отражает наше представление о времени: некий "вход" трансформируется в "выход". Однако многие другие разделы современной физики, например уравнения общей теории относительности Альберта Эйнштейна, не очень хорошо согласуются с этой простой картиной эволюции времени. Именно поэтому, пишет Адлам, для поиска физики за пределами стандартной модели необходимо отойти от парадигмы временной эволюции.
Есть несколько подходов способных заменить ее. Один из них - ретропричинная перспектива, когда будущее играет определенную роль в "производстве" прошлого. Другой подход — это так называемая блочная вселенная, в которой вся история каким-то образом сосуществует.
Мы живем во Вселенной, в которой энтропия, мера беспорядка, увеличивается с течением времени. Это говорит о том, что Вселенная должна была зародиться в каком-то особом состоянии с очень низкой энтропией. В рамках стандартной модели, похоже, единственная возможность объяснить это - представить себе процесс, порождающий большое количество возможных вселенных, или мультиверсов. Раз уж мы оказались в этой вселенной, то, как утверждается, мы должны находиться в одной из вселенных с начальным состоянием с низкой энтропией. Но если мы не будем исходить из картины эволюции во времени, то, возможно, найдется способ объяснить особое начальное состояние, не изобретая при этом мультивселенную.
Подход с блок-вселенной также представляется перспективным путем к решению одной из самых больших проблем, которую не может решить стандартная модель, - объединению гравитации и квантовой механики, поскольку наша лучшая теория гравитации (общая теория относительности) кажется наиболее уместной именно в концепции с блоковой вселенной.
И скоро у физиков могут появиться новые экспериментальные данные. Не так давно появились идеи о проведении экспериментов, в рамках которых планируется проверить способность пространства-времени переходить в суперпозиции. В одном из таких экспериментов два объекта поместят в квантовую суперпозицию, где они будут находиться в двух разных положениях одновременно. Ученые попробуют определить, возникает ли при этом квантовая запутанность. И если квантовая запутанность будет обнаружена, это вероятно укажет на то, что сама гравитация обладает квантовыми свойствами.
Результаты такого рода, безусловно, будут представлять собой существенный отход от интуитивной картины эволюции времени, используемой в стандартной модели. Адлам считает, что эти эксперименты позволят непосредственно изучить природу времени нашей Вселенной.
Мюоны ведут себя странно
Алекс Кешаварзи. Манчестерский университет, Великобритания
В течение последних шести лет группа ученых под руководством Алекс Кешаварзи занималась поиском новой физики с помощью малоизвестной фундаментальной частицы. Оказалось, что мюон, более тяжелый "двоюродный брат" электрона, очень полезен для поиска новой физики за пределами стандартной модели.
В рамках эксперимента, проводимого в Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми (Фермилаб), штат Иллинойс, ученые изучают свойство, называемое "магнитным моментом" мюона. В магнитном поле мюоны могут взаимодействовать с множеством виртуальных частиц, которые то появляются, то исчезают. Некоторые из них хорошо нам известны. Но могут появится и другие неизвестные нам корпускулы.
Субатомные частицы и атомы, концептуальная иллюстрация. Ричард Джонс/Science Photo Library
Эти процессы заставляют мюоны колебаться, или "прецессировать": чем больше взаимодействий испытывает мюон, тем быстрее он колеблется. Измерение этих колебаний может косвенно рассказать, с каким количеством виртуальных частиц взаимодействовал мюон, а также о силах, посредством которых он это делал. Сравнивая эти измерения с предсказаниями стандартной модели, можно понять, взаимодействует ли мюон с новыми частицами или силами.
Используя частицы, называемые мюонами, в качестве окна в субатомный мир, участники эксперимента обнаружили убедительные доказательства существования новых частиц и/или сил в нашей Вселенной. Если последние результаты будут подтверждены с повышенной точностью, это станет первым прямым подтверждением новой физики, выходящей за рамки лучшей теории фундаментального строения Вселенной, которой придерживаются ученые: Стандартной модели физики элементарных частиц.
В 2004 году измерение магнитного момента мюона в Брукхейвенской национальной лаборатории (Нью-Йорк) показало, что магнитный момент мюона оказался несколько больше, чем предсказывала стандартная модель. Точность измерения составила 0,5 частей на миллион. Для сравнения: это так же точно, как измерить длину стадиона с помощью человеческого волоса. Но для доказательств существования новой физики требовалась более высокая точность.
Часть Брукхейвенского эксперимента была перенесена более чем на 4800 километров в Фермилаб. Так родился эксперимент Muon g-2. В 2021 году, пишет Кешаварзи, мы получили первый результат, подтвердив выводы Брукхейвена, а в августе 2023 года - еще один результат с точностью 0,19 частей на миллион: это самое точное измерение, когда-либо сделанное на ускорителе частиц.
“Если существует новая физика, выходящая за рамки стандартной модели, наши измерения достаточно точны, чтобы полностью это подтвердить. Но все зависит от правильности прогноза стандартной модели, которая с 2021 года претерпела различные изменения и теперь в зависимости от того, какой метод используется для ее расчета, выдает разные результаты. Некоторые из них больше согласуются с результатами нашего эксперимента и, следовательно, говорят о том, что новой физики не существует. Остальные, как ни странно, находятся за порогом, необходимым для того, чтобы заявить о первом в истории открытии новой физики”.
Международное сотрудничество физиков-теоретиков, известное как Инициатива по теории мюонного g-2, членом которой является Кешаварзи, прилагает огромные усилия, чтобы понять и устранить эти несоответствия. Однако каким бы ни был результат, эксперимент Muon g-2 продолжит выдавать новые результаты с еще более высокой точностью. “Мне не терпится узнать, сможет ли наш окончательный результат, ожидаемый в ближайшие пару лет, впервые неопровержимо доказать существование физики за пределами стандартной модели”, резюмирует Кешаварзи.
Новая парадигма
Мэтт Страсслер. Гарвардский университет
В XIX веке ученые представляли большинство волн так, как мы понимаем их сегодня: ритмичные возмущения среды, подобные звуковым волнам в воздухе. Осознав, что свет — это волна, они решили, что у него тоже должна быть среда, которую назвали светоносным эфиром. Считалось, что движение Земли относительно мирового эфира приведет к тому, что скорость света будет слегка меняться в зависимости от направления движения, так же, как и скорость звука для движущихся наблюдателей.
Однако в ходе эксперимента, проведенного в 1887 году, физики Альберт Майкельсон и Эдвард Морли не обнаружили такой зависимости. Этот "нулевой результат" не переставал удивлять ученых до тех пор, пока в 1905 году Альберт Эйнштейн не предложил своё объяснение: скорость света - величина постоянная.
С тех пор физика элементарных частиц развивалась благодаря целой череде загадок и подсказок, которые вели ученых от одного открытия к другому. К сожалению, эта тенденция, судя по всему, закончилась в 2012 году с открытием бозона Хиггса, пишет Страсслер. “Я расцениваю отсутствие новых открытий на Большом адронном коллайдере (БАК) как потенциально один из самых важных нулевых результатов в истории физики, сравнимый с измерением Майкельсона-Морли”.
Подобно тому, как в случае с эфиром нарушаются простые, общие рассуждения о волнах, нулевой результат БАКа также идет вразрез с некоторыми базовыми рассуждениями о квантовых полях. Квантовая теория поля предполагает - а эксперименты это подтверждают - что очень необычно одновременно иметь и поле Хиггса, и бозон Хиггса, которые существуют исключительно сами по себе. Скорее всего, существует множество других полей и частиц, а поле Хиггса и бозон Хиггса - лишь первые из них. Возможно, некоторые из них удастся обнаружить с помощью коллайдера LHC.
Пока что коллайдер не обнаружил ничего подобного. Хотя эти поиски еще не завершены, многие физики, задаются вопросом, а не являются ли эти рассуждения ошибочными. Возможно, как и в случае с Майкельсоном-Морли, мы наблюдаем первые признаки разрушения старой парадигмы, пишет Страсслер. Расчеты, касающиеся поля Хиггса, основываются на трех постулатах: квантовая теория поля верна, ее можно использовать без учета явлений при энергиях, значительно превышающих те, которые непосредственно исследует БАК, и третье - события в далеком прошлом Вселенной не влияют на расчеты. Хотя пока ни у кого нет разумной альтернативы квантовой теории поля, следовало бы поставить под сомнение и другие предположения, отмечает ученый.
Один из вариантов предполагает наличие скрытых симметрий, связывающих признаки как известных, так и неизвестных частиц. Они могут приводить к "магическим нулям", вызывая эффекты, которые дестабилизировали бы одинокое поле Хиггса и оказались бы намного меньше, чем ожидалось. Или же квантовая гравитация может наложить неведомые нам ограничения на квантовые теории поля. Возможно, лишь некоторые квантовые теории поля согласуются с гравитацией, а в тех, которые напоминают стандартную модель, нулевой результат БАК подтверждается автоматически.
Другая возможность заключается в том, что история Вселенной подарила нам мир, в котором этот нулевой результат необходим для нашего существования. Простейшая версия этой идеи предполагает, что наша Вселенная представляет собой в основном непригодную для жизни мультивселенную, в которой редкие благоприятные для жизни места описываются очень необычными квантовыми теориями поля. Хотя подобные рассуждения потенциально объясняют, почему космологическая постоянная, определяющая ускоряющееся расширение Вселенной, очень мала (см. "Охота на космических хамелеонов"), в данном контексте они не работают, а лишь заменяют одну загадку другой.
Другая идея заключается в том, что Вселенная прошла через множество фазовых переходов, на каждом этапе описываемых все более и более необычными квантовыми теориями поля. Когда она достигла самой невероятной фазы, переходы прекратились, оставив нас в нашей уникальной Вселенной. Однако это предложение, сформулированное с помощью идеи, известной как "релаксация", не позволяет решить проблему космологической постоянной.
Аэрофотоснимки Уилсон-холла и территории Фермилаб. Райан Постел/Фермилаб
Все вышеуказанные идеи кажутся довольно смелыми, свидетельствующими лишь о том, что концепции, лежащие в основе физики частиц, возможно, нуждаются в переоценке. Если это так, то физики частиц столкнулись с грандиозной проблемой. Путь вперед неясен - трудно предугадать, какие именно эксперименты заслуживают наиболее приоритетного внимания. Вероятно, классические методы физики частиц уже не работают, но чем их заменить или усовершенствовать, пока никто не знает.
Физики 1890-х годов тоже сталкивались с подобными преградами. Но им повезло. Катодные лучи и радиоактивность открыли путь к совершенно новым классам экспериментов, с помощью которых стало возможным изучить структуру атомов и свойства частиц, движущихся со скоростью, близкой к световой. Повезет ли физикам сегодня — пока неясно.
