Стандартная модель
В Европейском центре ядерных исследований (CERN) завершается строительство крупнейшего в мире ускорителя элементарных частиц – Большого адронного коллайдера (Large Hadron Collider – LHC).
Эта установка разместится в 27-километровом подземном тоннеле, в котором прежде располагался другой уникальный ускоритель: Большой электронно-позитронный коллайдер (LEP – Large Electron Positron Collider), который в течение 11 лет (с 13 ноября 1989 г. по 2 ноября 2000 г.) верой и правдой служил фундаментальной науке.
Кольцевой тоннель, созданный в свое время (кстати, не без технического участия Метростроя) специально под размещение грандиозных исследовательских установок, располагается на территориях сразу двух стран: большая его часть находится во Франции, а меньшая – в Швейцарии.
С помощью суперускорителя ученые надеются экспериментально подтвердить существование так называемого бозона Хиггса (в последнее время прижилось упрощенное название – хиггс), частицы, играющей важнейшую роль в Стандартной модели взаимодействия элементарных частиц и предсказанной шотландским физиком Питером Хиггсом в 1964 г.
Вообще, Стандартная модель (СМ) – довольно интересная теоретическая конструкция, призванная описать всю полноту составляющих наш материальный мир элементарных частиц, как тех, что составляют атомы вещества, так и тех, что к веществу вроде бы напрямую отношения не имеют, но появляются во время различных реакций, например фотонов или нейтрино.
Для современной физики она имеет такое же значение, как Ньютонова механика для науки XIX века. Кроме того, многие субатомные частицы в свою очередь состоят из более мелких кирпичиков: кварков, антикварков или их суперпозиций. Собственно, по этому признаку – наличию или отсутствию кварковой структуры – частицы и делятся на составные и элементарные.
Модель объясняет и то, почему те или иные частицы обладают определенными свойствами. И таинственный «мистер хиггс» же является последним элементом СМ, предсказанным, но так и не открытым. До сих пор все предсказания Стандартной модели подтверждались экспериментом, иногда с фантастической точностью в миллионные доли процента. Только в последние годы стали появляться результаты, в которых предсказания СМ слегка расходятся с экспериментом.
С другой стороны, очевидно, что Стандартная модель не может являться последним словом в физике элементарных частиц, ибо она содержит слишком много внешних параметров, а также не включает гравитацию. Поэтому поиск отклонений от Стандартной модели — одно из самых активных направлений исследования в последние годы. Ожидается, что эксперименты на коллайдере LHC смогут зарегистрировать множество отклонений от Стандартной модели.
Кто вы, мистер хиггс?
Чтобы поймать хиггс-бозон, физики сегодня собирают уникальную установку, которая будет работать вместе с Большим адронным коллайдеромВообще, история с «неоткрытием» бозона Хиггса – почти детективная. Собственно, из-за этого и были прекращены эксперименты с установкой LEP. Согласно плану, работа ускорителя LEP должна была завершиться в сентябре 2000 года. Однако она была продлена на шесть недель, для того чтобы увеличить статистику событий, которые можно рассматривать как кандидаты в бозоны Хиггса (так называемые шесть недель stay of Higgs execution).
За отведенное время были найдены дополнительные кандидаты в бозоны Хиггса, но этого оказалось недостаточно для того, чтобы утверждать об открытии. В связи с тем что к тому времени сильно поджимали сроки начала работ по ускорителю LHC, было принято решение о закрытии LEP’a.
Такая суета и многомиллионные расходы – ради обнаружения единственного кирпичика мироздания? Не слишком ли? Нет! Недаром «хиггса» называют еще и «божественной частицей». Именно на хиггс-бозон возложена ответственная роль по объяснению наличия или отсутствия такого суперважного свойства материи, как масса.
Большинство описанных в Стандартной модели частиц имеет массу, но вот фотоны, например, никакой массы не имеют. То ли энергии ускорителей не хватает, то ли профессор Хиггс ошибся – выяснить никак не удается, хотя над задачей бились многие нобелевские лауреаты. Чтобы поймать хиггс-бозон, физики сегодня собирают уникальную установку, которая будет работать вместе с Большим адронным коллайдером.
Один из самых грандиозных приборов человечества строится в Европейском центре ядерных исследований близ Женевы. LHC рассчитан на чудовищную энергию столкновения частиц, в нем смогут возникать даже лабораторные «черные дыры».
Установка ATLAS имеет размеры с пятиэтажный дом и вес в 7 тысяч тонн. Недавно построен первый принципиальный элемент установки – «бочка», усеянная сотнями кремниевых пластин-детекторов, которые должны отследить траектории частиц, рожденных при столкновении протонов в ускорителе. Их энергия столь велика, что станет возможным воспроизведение самых ранних мгновений Большого взрыва, когда родилась Вселенная. Вот здесь-то, как надеются физики, и удастся накрыть сачком неуловимый хиггс-бозон. Какова масса хиггс-бозона? Теоретические расчеты дают в этом семействе чудовищный разброс.
Элементарные частицы, к слову, не столь элементарны и малы, как может показаться. Академик Моисей Марков доказал возможность существования элементарной частицы с максимальной энергией 100 миллионов триллионов гигаэлектронвольт, которая способна содержать внутри себя целую Вселенную. Легчайшие из хиггс-бозонов имеют энергию в 100 Гэв, но не исключены гиганты в 1 миллиард Гэв. На ускорителе в Швейцарии будут искать, естественно, легчайшие хиггс-бозоны.
Самый мощный «дырокол»
Испаряясь, черные дыры оставят после себя некое излучение, которое можно будет обнаружить с помощью сверхчувствительной аппаратуры LHCВсе эти колоссальные значения энергии вполне подходят для проведения одного исключительной важности эксперимента. Точнее, речь идет о подтверждении теории, согласно которой при тераэлектронвольтных энергиях и в условиях соответствующей гравитации происходит образование черных дыр.
Кстати, некоторые чрезвычайно осторожные исследователи намекают на опасность рукотворных «проколов в пространстве». Относительно их опасности профессор Стивен Хокинс – автор чуть ли не всех ныне существующих концепций черных дыр – сделал ключевое для понимания физики этих объектов открытие: черные дыры неизбежно испаряются со временем. Даже самые крупные из них. Крупные – медленно, за миллиарды лет. А мелкие исчезают моментально, за 10 в –17-й степени секунд, и, соответственно, у них просто нет времени на то, чтобы втянуть в себя хоть сколько-нибудь существенный объем материи.
Зато, испаряясь, они оставят после себя некое излучение, которое можно будет обнаружить с помощью сверхчувствительной аппаратуры LHC. В общем и целом, ожидается, что черные дыры в LHC будут возникать приблизительно каждую секунду, исчезая, как уже сказано, за такие короткие сроки, что никакой опасности представлять не будут даже в теории. Зато с их помощью удастся лучше понять, как между собой соотносятся квантовая механика и гравитация, ведь испарение черных дыр является квантовомеханическим процессом.
Наблюдать это в космосе не представляется возможным в силу того, что гигантские черные дыры испаряются слишком медленно, а микроскопические – пойди поищи. Остается лишь создавать их искусственно. Изучение их эволюции очень многое прояснит в области фундаментальных физических процессов в нашей Вселенной.
