Почти полвека Стандартная модель оставалась главной теорией, объясняющей устройство Вселенной. Но сегодня ученые признают: она описывает лишь 5% реальности. Остальное — темная материя, таинственная энергия, необъяснимая гравитация — прячется за пределами привычных уравнений. Шесть ведущих физиков мира рассказали, как они планируют вскрыть секреты, которые Вселенная хранила миллиарды лет.
В 1973 году физик Стивен Вайнберг впервые использовал термин «Стандартная модель» для описания фундаментальных частиц и их взаимодействий. За 50 лет теория предсказала бозон Хиггса, кварки, лептоны и три из четырех фундаментальных сил. Но ее ограничения очевидны: она не объясняет гравитацию, преобладание материи над антиматерией, природу темной материи (27% Вселенной) и темной энергии (68%). Эти пробелы заставляют ученых искать «новую физику» — теорию, которая дополнит или заменит Стандартную модель.
1. Столкновения на энергетическом фронте: 10 миллиардов шансов
Джон Баттерворт, Университетский колледж Лондона
Большой адронный коллайдер (БАК) — это «микроскоп» с рекордным разрешением. Сталкивая протоны на энергии 13 ТэВ, он концентрирует энергию в крошечных объемах, создавая условия, при которых могут рождаться новые частицы. Но даже если их нет, БАК помогает изучать структуру материи.
«Представьте, что вы пытаетесь понять, насколько честная игральная кость, — говорит Баттерворт. — Шести бросков мало, но 6 миллионов дадут статистику». За 10 миллиардов столкновений ученые надеются уловить редкие процессы, такие как рождение пар бозонов Хиггса, предсказанное Стандартной моделью, но пока не обнаруженное из-за низкой вероятности.
Ключевая задача — сравнить данные с теоретическими расчетами. Например, масса бозона Хиггса (125 ГэВ) измеряется косвенно, через распад на другие частицы. Уточнение предсказаний теории и экспериментов до уровня 0.1% позволит заметить даже малейшие отклонения. «Если Стандартная модель верна, это не провал, — подчеркивает Баттерворт. — Это значит, новая физика лежит за пределами возможностей БАК».
2. Темная энергия и частицы-«хамелеоны»: падение атомов против теннисных мячей
Клэр Берридж, Ноттингемский университет
Темная энергия, ответственная за ускорение расширения Вселенной, может быть связана с частицей, которая действует как «хамелеон»: в плотных средах (например, на Земле) ее масса увеличивается, сокращая радиус действия пятой силы, а в космическом вакууме — уменьшается, позволяя силе проявляться на огромных расстояниях.
«Если бросить теннисный мяч и атом в вакууме, атом упадет быстрее, если пятая сила существует», — объясняет Берридж. Для проверки этой гипотезы ее команда охлаждает атомы рубидия до температур, близких к абсолютному нулю, и использует лазеры, чтобы создать квантовую суперпозицию: атом одновременно находится в двух состояниях — возбужденном (движущемся) и основном (неподвижном).
После серии лазерных импульсов суперпозиция разделяется, и атомы падают под действием гравитации и гипотетической пятой силы. Разница в их траекториях, измеренная с точностью до нанометра, покажет, существует ли «хамелеон». Уже сейчас эксперименты исключили часть моделей, но окончательный ответ ожидается к 2026 году.
3. Квантовые сенсоры: как LIGO и атомные часы помогут найти темную материю
Сурджит Раджендран, Университет Джонса Хопкинса
Стандартные методы физики высоких энергий бесполезны для поиска частиц, которые почти не взаимодействуют с обычной материей. Например, аксионы — кандидаты на роль темной материи — могут проходить сквозь детекторы, не оставляя следов.
«Квантовые сенсоры решают две проблемы: точность и шум, — говорит Раджендран. — Например, атомные часы используют переходы электронов между энергетическими уровнями в атомах цезия. Эти переходы происходят с частотой 9 192 631 770 Гц, и их стабильность позволяет измерять время с погрешностью 1 секунда за 15 миллиардов лет».
Синхронизированные атомные часы, разнесенные на тысячи километров, могут фиксировать колебания в плотности темной материи: проходящие скопления будут слегка замедлять или ускорять время в разных точках Земли. Аналогично, интерферометры LIGO, обнаружившие гравитационные волны, используют квантовое подавление шумов для измерения колебаний в 10 000 раз меньше диаметра протона.
4. Время как иллюзия: блочная Вселенная и ретрокаузальность
Эмили Адлам, Чепменский университет
Стандартная модель предполагает, что время линейно: прошлое определяет будущее. Но уравнения квантовой механики и общей теории относительности симметричны во времени. Это противоречие заставляет пересмотреть саму природу времени.
Адлам предлагает два пути:
- Ретрокаузальность — будущее влияет на прошлое. Например, выбор измерения частицы в эксперименте может «воздействовать» на ее состояние в прошлом.
- Блочная Вселенная — время не течет, а существует целиком, как фильм, где каждый кадр уже «записан».
Эксперименты с квантовой гравитацией могут проверить эти идеи. Если две массы в суперпозиции (одновременно в двух местах) создадут гравитационную запутанность, это подтвердит, что пространство-время — квантовый объект. «Это разрушит классическое представление о времени», — говорит Адлам.
Кроме того, блочная модель объясняет низкую энтропию ранней Вселенной без привлечения мультивселенной: если время статично, начальное состояние не требует специальных условий.
5. Аномалии мюонов: точность в 0.19 частей на миллион
Алекс Кешаварзи, Манчестерский университет
Мюон, в 200 раз тяжелее электрона, — идеальный инструмент для поиска новых частиц. Его магнитный момент (мера взаимодействия с магнитным полем) в Стандартной модели вычисляется с точностью до 0.1 части на миллион. Но эксперимент Muon g-2 в Fermilab показал отклонение: реальное значение на 0.19 ppm выше предсказанного.
«Представьте, что вы измерили длину футбольного поля с точностью до толщины волоса, — говорит Кешаварзи. — Это уровень нашей работы».
В 2004 году эксперимент в Брукхейвене (США) обнаружил аномалию, но точности в 0.5 ppm было недостаточно. После переноса оборудования в Fermilab (4800 км) и модернизации, точность достигла 0.19 ppm. Данные 2023 года подтвердили аномалию, но теоретики разделились: одни расчеты согласуются с экспериментом, другие — нет.
«Если теоретики ошибутся, это будет первое прямое доказательство новой физики», — говорит Кешаварзи. Окончательные результаты ожидаются в 2025 году.
6. Кризис физики: почему БАК не нашел новых частиц?
Мэтт Страсслер, Гарвардский университет
Отсутствие новых частиц на БАК напоминает эксперимент Майкельсона–Морли 1887 года: тогда «нулевой результат» опроверг эфир, но привел к теории относительности. Сегодня «тишина» коллайдера ставит под сомнение предсказания квантовой теории поля.
«Теория говорит: бозон Хиггса не может существовать в одиночку, — объясняет Страсслер. — Должны быть другие частицы, стабилизирующие его массу. Но БАК их не видит».
Возможные объяснения:
- Скрытые симметрии — математические «магические нули» подавляют нежелательные эффекты.
- Квантовая гравитация — только некоторые квантовые теории совместимы с гравитацией, и Стандартная модель — одна из них.
- Релаксион — Вселенная прошла через серию фазовых переходов, остановившись в «необычном» состоянии.
«Мы как физики XIX века, которые не знали о радиоактивности, — говорит Страсслер. — Нужен прорыв, сравнимый с открытием квантовой механики».
Post Scriptum
Физики стоят на пороге эпохи открытий. Будь то квантовые сенсоры, аномальные мюоны или переосмысление времени, каждый подход дает шанс прорваться за пределы Стандартной модели. Как сказал Мэтт Страсслер: «Мы не выбираем законы природы — мы лишь исследуем их всеми возможными способами».
-----
Если понравился материал и вы считаете его познавательным и стоящим вашего внимания, вы можете поддержать автора «трудовым рублем» (5336 6902 0053 5906), либо через Дзен по ссылке.
