Физика элементарных частиц зашла в тупик, и этот тупик выглядит подозрительно похожим на финишную черту. Последние пятьдесят лет теоретики обещали нам суперсимметрию, дополнительные измерения, распад протона и целый зоопарк экзотических частиц — а Большой адронный коллайдер упрямо выдаёт одно и то же: Стандартная модель работает. Работает так хорошо, что это уже становится неприлично.
Мы потратили миллиарды долларов на самую сложную машину в истории человечества, чтобы она раз за разом подтверждала теорию полувековой давности. И вместо того чтобы отпраздновать величайший триумф человеческого разума, физическое сообщество погрузилось в экзистенциальный кризис. Потому что признать, что мы, возможно, уже нашли ответ — значит признать, что искать больше нечего. А это, простите, смерть для целой индустрии.
Давайте называть вещи своими именами. Стандартная модель — не временная заплатка и не «эффективная теория низких энергий», как любят выражаться осторожные теоретики. Это чертовски точное описание фундаментальной структуры материи, которое предсказывает результаты экспериментов с точностью до десятого знака после запятой.
Ни одна другая теория в истории науки — ни ньютоновская механика, ни даже общая теория относительности — не демонстрировала такого феноменального согласия с экспериментом. Когда в 2012 году обнаружили бозон Хиггса с массой именно там, где предсказывала модель, это должно было стать поводом для триумфального шествия. Вместо этого физики растерянно переглянулись и спросили: «И что, это всё?»
Триумф, который никто не хочет праздновать
История Стандартной модели — это история беспрецедентного успеха, который почему-то принято подавать как историю незавершённости. В 1960-х годах физики собрали воедино разрозненные кусочки головоломки: кварки, лептоны, калибровочные бозоны — и получили математически элегантную конструкцию, объединяющую три из четырёх фундаментальных взаимодействий. Электромагнитные силы, слабое и сильное ядерные взаимодействия — всё это оказалось проявлениями единой симметрии, спонтанно нарушенной механизмом Хиггса.
Каждое предсказание этой теории сбывалось с пугающей точностью. W и Z-бозоны? Найдены в 1983-м ровно там, где ожидалось. Топ-кварк? Обнаружен в 1995-м с предсказанной массой. Бозон Хиггса? Двенадцать лет назад, масса 125 ГэВ, всё по плану. Аномальный магнитный момент электрона измерен с точностью до одиннадцати значащих цифр — и совпадает с теоретическим расчётом. Это не просто хорошая теория. Это лучшая теория, которую человечество когда-либо создавало.
Но вот какая штука: физики не любят завершённости. Завершённость означает конец финансирования, конец новых диссертаций, конец карьерного роста. Куда интереснее говорить о «нерешённых проблемах» и «необходимости новой физики». Целые поколения теоретиков построили карьеры на предсказании частиц, которые так и не нашлись. Суперсимметричные партнёры? Нету. Тяжёлые бозоны Хиггса? Отсутствуют. Техницвет? Забудьте.
Почему учёные так отчаянно ищут трещины
Тут надо понимать социологию современной науки. Физика высоких энергий — это не романтическое одиночное плавание гения в море неизвестного. Это индустрия. Тысячи людей, миллиарды долларов, политические игры, конкуренция за гранты. И эта индустрия нуждается в проблемах. Нет проблем — нет грантов. Нет грантов — нет зарплат, нет постдоков, нет новых ускорителей.
Поэтому каждая пресс-конференция ЦЕРН сопровождается намёками на «аномалии» и «отклонения от Стандартной модели». Помните шумиху вокруг дипионного резонанса в 750 ГэВ в 2015-м? Сотни теоретических статей за считаные недели, объяснявших несуществующую частицу. Потом набрали статистику — и резонанс испарился, как утренний туман. А недавняя история с аномалией мюонного g-2? Оказалось, что теоретические расчёты просто содержали ошибку. Вселенная упрямо отказывается сотрудничать с грантовыми заявками.
Само словосочетание «физика за пределами Стандартной модели» превратилось в магическое заклинание, открывающее кошельки финансирующих организаций. Любой проект, обещающий найти «новую физику», получает преимущество перед проектами, направленными на прецизионную проверку существующей теории. Это создаёт системный перекос: мы инвестируем в поиск несуществующего, игнорируя углубление понимания того, что уже знаем.
Ирония в том, что именно это углублённое понимание могло бы показать нам, насколько полной на самом деле является Стандартная модель. Но кому это интересно? Статья «Мы проверили, и всё по-прежнему работает» не попадёт на обложку Nature.
Тёмная материя и другие «дыры» в модели
Справедливости ради: у Стандартной модели действительно есть пробелы. Но называть их «фатальными недостатками» — примерно как называть царапину на «Мерседесе» причиной для его утилизации. Давайте разберём главные претензии.
Тёмная материя. Да, Стандартная модель её не объясняет. Но тёмная материя — это космологический феномен, а не результат эксперимента на ускорителе. Мы знаем, что она существует, по гравитационным эффектам в галактиках. Мы не знаем, из чего она состоит. Это проблема? Безусловно. Это опровергает Стандартную модель? Ни в малейшей степени. Это просто означает, что в природе есть что-то ещё, чего мы пока не включили в модель. Дополнение, а не замена.
Нейтрино имеют массу, а изначальная Стандартная модель предполагала их безмассовыми. Ужас, катастрофа, конец света? Нет. Добавить массу нейтрино в модель — технически тривиальная операция. Это делается несколькими способами, наиболее элегантный из которых — механизм качелей с участием стерильных нейтрино. Никакой революции, просто небольшое расширение.
Асимметрия материи и антиматерии. Почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии? Стандартная модель допускает CP-нарушение, но его недостаточно для объяснения наблюдаемого дисбаланса. Опять же — это указывает на необходимость дополнительного источника асимметрии, а не на ошибочность модели.
Гравитация. Стандартная модель не включает гравитацию. И знаете что? На масштабах элементарных частиц гравитация настолько слаба, что это не имеет практического значения. Это эстетическая проблема, а не эмпирическая. Мы хотим единую теорию — красиво же! Но природа не обязана соответствовать нашим эстетическим предпочтениям.
Дополнения, а не революция
Вот что действительно интересно: все реальные проблемы Стандартной модели решаются не её заменой, а её минимальным расширением. Это как достраивать дом, а не сносить его под ноль.
Стерильные нейтрино — гипотетические частицы, которые не участвуют ни в каких взаимодействиях, кроме гравитационного. Они могли бы объяснить массу обычных нейтрино через механизм качелей. И — внимание — они являются отличным кандидатом на роль тёмной материи. Одним выстрелом двух зайцев. Никакой суперсимметрии, никаких дополнительных измерений, никакой экзотики. Просто ещё один тип частицы, вписывающийся в существующую структуру.
Аксионы — ещё один минималистичный кандидат. Они были придуманы для решения так называемой проблемы сильного CP-нарушения (почему сильное взаимодействие не нарушает CP-симметрию, хотя могло бы?). Побочный эффект: аксионы тоже могут быть тёмной материей. Опять-таки, это расширение модели, а не её разрушение.
Даже пресловутая лептогенезис — механизм объяснения барионной асимметрии через распады тяжёлых нейтрино — вписывается в расширенную Стандартную модель без необходимости революционных изменений.
Получается забавная картина. Все «необъяснённые явления», которыми пугают нас популяризаторы, требуют добавления в модель буквально пары новых частиц. Не десятков суперпартнёров, не свёрнутых измерений, не струнных ландшафтов с 10 в 500-й степени вакуумов. Пара частиц. Может быть, модифицированный сектор Хиггса. И всё.
Это не крах Стандартной модели. Это её торжество. Каркас настолько прочен, что выдерживает любые дополнения.
Философия завершённости
А теперь давайте поговорим о слоне в комнате. Что вообще означает «окончательная теория»? Физики часто путают два разных вопроса: «Есть ли в природе что-то ещё?» и «Является ли наша теория верной?»
Стандартная модель не претендует на описание всего. Она описывает элементарные частицы и их взаимодействия при энергиях, доступных нашим экспериментам. И в этой области она, похоже, полна. Не в том смысле, что мы знаем всё. А в том смысле, что структура — правильная.
Представьте, что вы собрали пазл, но несколько кусочков потерялись. Вы видите общую картину, понимаете, что изображено, знаете форму недостающих элементов. Это не делает пазл «неправильным». Это делает его неполным. Стандартная модель — это почти собранный пазл. Стерильные нейтрино, аксионы, возможно, что-то ещё — это недостающие кусочки. Но рамка определена, и она не изменится.
Принцип Оккама говорит нам: не умножай сущности без необходимости. Десятилетия поисков «новой физики» не дали результата. Может быть, потому что её там нет? Может быть, вместо того чтобы выдумывать всё более экзотические теории, стоит признать: простейшее объяснение — что Стандартная модель в своей расширенной форме и есть фундаментальное описание частиц — вероятно, верно?
Это не капитуляция. Это зрелость. Наука не обязана вечно подбрасывать нам загадки для развлечения. Иногда ответы просто — есть.
Физическое сообщество стоит на перепутье. Можно и дальше тратить миллиарды на поиски призраков, каждый раз поднимая планку энергии и каждый раз получая тот же ответ: Стандартная модель работает. А можно признать очевидное. Мы, возможно, уже держим в руках окончательную теорию частиц. Не элегантную единую теорию всего, о которой мечтал Эйнштейн. Не суперсимметричный рай, обещанный теоретиками 1980-х. А рабочую, проверенную, невероятно точную модель — с несколькими недостающими элементами, которые, скорее всего, окажутся вполне скромными дополнениями.
Страшно? Конечно. Завершённость пугает. Она означает, что фронтир закрывается, что великие открытия в физике частиц, возможно, позади. Но разве не в этом цель науки — найти ответы? Мы искали. Мы нашли. Осталось только набраться смелости это признать.