Текст уведомления здесь

Пятое измерение, темная материя и гравитоны

Что такое новая физика и как найти ее в ускорителях, под Землей и в телескопах

О том, что такое новая физика и как ее ищут на Большом адронном коллайдере, в подземных экспериментах и в далеком космосе, «Чердаку» рассказал доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник лаборатории теоретической физики ОИЯИ, член коллаборации RDMS Дмитрий Казаков.
Добавить в закладки
Комментарии
— Напомните, пожалуйста, читателям, что такое Стандартная модель и как она устроена?

— За последние 30—40 лет была создана Стандартная модель трех фундаментальных взаимодействий, которая описывает весь мир элементарных частиц, каким мы его сейчас видим. Она включает в себя электромагнитные взаимодействия, слабые взаимодействия и сильные взаимодействия. Эта теория объясняет все процессы, которые идут между элементарными частицами, объясняет классификацию элементарных частиц. На сегодня все предсказанные Стандартной моделью частицы обнаружены экспериментально (последней стал бозон Хиггса). Их оказалось достаточно мало — шесть кварков и шесть лептонов, несколько переносчиков взаимодействий. Так что модель, в каком-то смысле, достаточно проста, хотя если вникать в детали, это достаточно сложная математическая конструкция.

— Стандартная модель, получается, объясняет все взаимодействия во Вселенной?

— Не совсем. Все взаимодействия имеют радиус действия. Сильное взаимодействие — это взаимодействие между кварками, которое действует внутри адронов, а наведенное ими эффективное взаимодействие — внутри атомных ядер. Поэтому если мы выходим за пределы атомного ядра, мы никакого атомного взаимодействия не видим. Но сильное взаимодействие объясняет, почему атомные ядра являются такими стабильными, почему атомы «не разваливаются», почему они долго живут, и вся материя состоит из этих стабильных атомов. Слабые взаимодействия имеют противоположный эффект и ответственны за распады. Оказывается, что в распаде освобождается большая энергия, и горение звезд связано именно с ним. То есть слабые взаимодействия зажигают звезды, и мы живем благодаря тому, что Солнце светит на нас. Но радиус действия этих сил, как и сильных взаимодействий, очень маленький. В то же время электромагнитное взаимодействие действует на бесконечных расстояниях — как внутри атомов и ядер, так и на галактических масштабах. То же самое касается и гравитационного взаимодействия, и его радиус действия бесконечен. То есть мы во всей Вселенной — от атомных ядер до галактик — наблюдаем эти четыре вида взаимодействий. В некотором смысле, можно сказать, что бозон Хиггса является переносчиком пятого вида взаимодействия, потому что принцип, по которому строятся эти теории, — это то, что взаимодействие есть обмен неким носителем. Скажем, электромагнитное взаимодействие — это обмен фотонами между частицами, слабое — обмен W-бозонами, сильное — обмен глюонами. Поскольку хиггсовский бозон взаимодействует с кварками и лептонами, то он тоже есть обменное взаимодействие — путем обмена хиггсовским бозоном. Обычно такие слова не произносятся, но следуя логике, можно сказать, что это четвертое взаимодействие в рамках Стандартной модели.

Частицы Стандартной модели. Фото: Fermilab



Но с гравитацией мы пока имеем дело только в рамках классической теории, о ее квантовомеханической природе нам ничего неизвестно. Поэтому гравитация не входит в Стандартную модель, хотя мы точно знаем, что она существует, конечно.

— В чем состоит важность открытия бозона Хиггса?

— Стандартная модель основана на базовых принципах — часто говорят о симметрийных свойствах теории. Это язык, на котором описываются взаимодействия: симметрия — это преобразования, относительно которых результаты измерений не зависят от преобразований. Оказывается, что все свойства сохранения в природе: закон сохранения энергии, закон сохранения импульса и так далее — связаны с симметрией. Стандартная модель базируется на ряде таких симметрий, они сейчас хорошо поняты и описаны. В то же время оказывается, что ряд симметрий в природе являются не точными, а нарушенными. Бытовой пример — это мы сами. Если вы посмотрите на себя в зеркало, у вас правая и левая часть поменяются местами. Внешне изменений будет не заметно, но, тем не менее, мы знаем, что сердце у нас находится только с одной стороны. Поэтому такая симметрия в зеркале является неполной. Оказывается, что в мире элементарных частиц тоже есть такие нарушенные симметрии, неточные. С такой симметрией связано, например, существование массы у всех частиц. Разрекламированный бозон Хиггса — это достаточно сложный механизм, который сейчас получил название механизма Браута-Энглера-Хиггса по именам трех его первых авторов. Этот механизм связан с нарушенной симметрией и объясняет возникновение массы у частиц. Открытие бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере подтвердило все эти сложные теоретические конструкции, и теперь мы понимаем, как это все устроено. То есть с открытием бозона Хиггса Стандартная модель получила полное экспериментальное подтверждение. В то же время, как мы понимаем, не на все вопросы мы в рамках этого подхода ответили.

— И эти вопросы возникают из-за гравитационного взаимодействия?

— Отчасти. Обнаружено, что в природе существует большое количество материи, которая не испускает электрического света, поэтому ее назвали темной. Проявляется эта материя в гравитационном взаимодействии, она влияет на движение планет, звезд, галактик, скоплений галактик и так далее. Темной материи в четыре раза больше, чем обычной материи, а в Стандартной модели она отсутствует. Попытка объяснить феномен темной материи — один из характерных примеров выходов за рамки Стандартной модели.

Сейчас физики, которые занимаются физикой частиц, астрофизикой, космологией, пытаются найти ответ на эти вопросы: из чего состоит темная материя, как она устроена, каковы ее свойства?

Не исключено, что есть всего одна элементарная частица, которая описывает всю темную материю во Вселенной. Предположительно, эта частица достаточно тяжелая, в 100 раз тяжелее, чем протоны и нейтроны, из которых в основном состоит обычная материя. Возможно, это именно так, эта одна частица будет обнаружена, и мы ответим на все вопросы о темной материи.

Но, может быть, это и не так. Есть модели, предполагающие, что темная материя состоит не из одной частицы, а из нескольких составляющих. Возможно, это не тяжелая, а легкая частица.

Дмитрий Казаков. Фото: ФИАН


— Почему же этих частиц не было видно на ускорителях?

— Потому что (это мы точно знаем) эти частицы не участвуют ни в сильном взаимодействии, ни в электромагнитном взаимодействии. Остаются два варианта — слабое взаимодействие и гравитационное взаимодействие. Если эта частица взаимодействует слабо, тогда ее можно получить на ускорителях, а также увидеть ее в подземных экспериментах (таких как лаборатория Гран-Сассо в Италии), когда эта частица прилетает из космоса и ударяет в нашу мишень. Еще один вариант — увидеть проявление этой частицы в космических лучах. Если же она взаимодействует только гравитационно (а гравитационно она обязательно должна взаимодействовать, потому что именно по гравитационным эффектам была обнаружена темная материя), то это взаимодействие очень слабо, на много порядков величины слабее, чем слабое взаимодействие. И тогда на ускорителе наблюдать рождение этой частицы не удастся: слишком маленькие будут сечения взаимодействия. Это не очень благоприятная ситуация для физиков, потому что такую частицу мы пронаблюдать не сможем. В этом смысле сегодня надежды физиков связаны с тем, что эта частица все-таки участвует в слабом взаимодействии, и тогда мы ее сможем идентифицировать и в космических лучах, и под землей, и на ускорителях. Разумеется, открытие частицы только в одном месте еще ничего не подтвердит — нужно ее совокупное наблюдение в трех перечисленных выше процессах. Сравнивая их и теоретические предсказания, можно будет однозначно эту частицу идентифицировать.

— Есть ли области, где Стандартная модель поставила вопросы, но ответы пока не нашлись?

— Да, и это тоже возможный выход в новую физику. Один из примеров связан с тем, что в Стандартной модели все частицы обретают свою массу, взаимодействуя с полем Хиггса. И у поля Хиггса есть характерный масштаб — примерно 200 масс протона, которому пропорциональны массы всех частиц (под термином «масштаб» в данном случае понимается интервал масс, на котором преобладает определенный тип взаимодействий). И все фундаментальные частицы: кварки, лептоны, W-бозоны — приобретают массу из-за поля Хиггса, и поэтому их массы пропорциональны масштабу, который есть в потенциале поля Хиггса. В то же время мы знаем, что в природе существуют и гораздо большие масштабы, например масштаб гравитации, который составляет 10^19 масс протона. Как правило, физические теории строятся так, что неизвестная физика на гораздо больших масштабах не влияет на те масштабы, которые мы изучаем. Это достаточно естественное требование: мы ничего не смогли бы изучать, если бы неизвестное нам постоянно влияло на наши измерения. На практике это значит, что вклад неизвестных нам взаимодействий, например с какими-то очень тяжелыми частицами, оказывается очень сильно подавлен и никак не сказывается на наших эффектах. Оказалось, что масса бозона Хиггса не подчиняется этому закону — на нее могут оказывать влияние неизвестные нам взаимодействия. Это задача есть, и с ней пытаются справиться, это называется проблемой иерархии, и надежды в ее решении возлагаются на новую физику.

— У ученых есть представление о том, какие новые частицы они ищут?

— Да, конечно, есть ряд теорий, которые эти частицы предсказывают. Наиболее популярной из них является так называемая суперсимметрия. Эта некая новая симметрия, которая зародилась отчасти в России, еще в 70-е годы. Впоследствии были построены соответствующие модели в физике частиц. Эта симметрия замечательна тем, что связывает между собой два типа частиц в природе. Все частицы в природе разделяются на два класса: бозоны и фермионы. Они отличаются друг от друга собственным угловым моментом и поведением. К бозонам относятся, например, фотоны, и это частицы, более интуитивно нам близкие по макромиру (еще понятнее про бозоны и фермионы можно почитать у научного редактора «Популярной механики» Дмитрия Мамонтова). Бозоны любят собираться вместе, и если их поменять местами, ничего в системе не изменится. А фермионы — это индивидуалисты: если два фермиона поместить вместе, они никогда не захотят занять одно место, и при перемене их местами меняется знак волновой функции. Все кварки и лептоны — частицы, из которых состоит материя, — являются фермионами, а все переносчики взаимодействий являются бозонами, и связи между ними в Стандартной модели нет, и непонятно, должна ли она быть.

Суперсимметрия — это как раз такая модель, которая «перемешивает» бозоны и фермионы, превращая их друг в друга.


Суперсимметрия привлекательна тем, что обещает построить объединенную теорию всех сил и взаимодействий, включая гравитацию, то есть это такая «теория всего». Если приложить математику суперсимметрии к физике частиц, она предсказывает существование большого количества новых частиц — бозонов и фермионов, которые являются как бы партнерами известных нам частиц. Но пока ни одного такого партнера не открыто экспериментально, поэтому это все остается гипотезами. Замечательно то, что эта теория, походя и не замечая, решает проблему иерархии. Эта теория очень привлекательна, поэтому такую новую физику, такие новые частицы усиленно искали и ищут на ускорителях, но пока безрезультатно.

Кстати, бозон Хиггса имеет спин ноль, тогда как остальные бозоны — 1. А гравитон — гипотетическая частица, переносчик гравитации, — это тоже бозон, но со спином 2. И объединенная теория должна объединять эти спины вместе, и суперсимметрия это делает.

— А параллельные миры должны быть населены суперсимметричными частицами?

— Это одна из сильно завораживающих (хотя и не сильно популярных) идей – идея существования большого количества измерений пространства-времени. Не исключено, что на самом деле мы живем в многомерном мире, но по каким-то причинам мы не видим этих дополнительных измерений. Сейчас на это представляются две причины. Либо эти измерения являются очень маленькими, и мы их просто не видим. Либо эти измерения являются большими, такими же как и наши обычные измерения, но мы по какой-то причине прижаты к своим измерениям и не можем видеть других. Хорошая аналогия — это представить себе, что вы находитесь в глубоком колодце, поэтому вам кажется, что двигаться можно только вверх или вниз. На самом деле, если набрать побольше энергии и выпрыгнуть из этого колодца, то вы увидите, что мир вокруг вас простирается и налево, и направо. И наши три пространственных измерения могут быть таким колодцем. Мы пока не понимаем, правильно или нет это и как это все устроено. Но есть много моделей, которые решают проблему иерархии с применением новых измерений. И это тоже попытка выйти за пределы Стандартной модели. Если какая-то из этих моделей верна, то это проявится в существовании новых частиц, и их тоже ищут сейчас. Но тоже пока ничего не находят.

— Получается, что поиски частиц на микроуровне могут вывести нас к очень большим открытиям на уровне галактик и Вселенной?

— Вообще сейчас часто случается, что задачи возникают на стыке космологии, астрофизики и физики элементарных частиц. В свое время люди задумались, почему мы видим во Вселенной материю и вообще не видим антиматерию, хотя наши теории симметричны относительно того, сколько материи и сколько антиматерии родилось во время Большого взрыва. В то же время мы сейчас антиматерии не наблюдаем. Она рождается на ускорителях, но планеты и звезды из антиматерии не состоят. И люди задумались, как произошло, что в процессе эволюции Вселенной баланс между материей и антиматерией нарушился. Оказалось, что необходимо выполнение ряда условий, в частности нарушение так называемой комбинированной четности. Оно есть в Стандартной модели, но очень маленькое, а чтобы получить наблюдаемый дисбаланс, оно должно быть сильным. Этот вопрос в физике остается открытым: сейчас непонятно, можно ли разрешить его в рамках Стандартной модели или потребуется выход за ее пределы.

RDMS — Russia and Dubna Member States, коллаборация России и стран — участниц Объединенного института ядерных исследований в Дубне — это коллектив физиков и инженеров, внесших большой вклад в строительство эксперимента CMS (Compact Muon Solenoid) Большого адронного коллайдера и в последующие работы на нем. CMS — один из двух экспериментов, на котором наблюдали бозон Хиггса.
Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы