Частицы бога

Частицы бога

Александр Сахаров – об экспериментах адронного коллайдера

Пока в Молдове всё внимание сосредоточено на досрочных парламентских выборах и его результатах, в мире происходят удивительные научные открытия, касающиеся каждого из нас. 4 июля считается днём рождения частицы Бога или бозона Хиггса, о которой многие наверняка слышали.

Об этом удивительном научном открытии, о том, как появилась Вселенная, почему она может исчезнуть в одну секунду и как это изучается с помощью самого грандиозного научного проекта современности – Большого адронного коллайдера (БАК) – в эксклюзивном интервью «АиФ в Молдове» рассказывает постоянный исследователь ЦЕРНа профессор Александр Сахаров.

ДОСЬЕ
Александр Сахаров  (26.11.1969) – российский учёный, постоянный исследователь Церна, профессор Манхэттенского колледжа в Нью-Йорке. Занимается непосредственным наблюдением за экспериментом АТЛАС на коллайдере, а также проектами, связанными с исследованиями происхождения и эволюции ранней Вселенной, источниками космических лучей и гравитационных волн и фундаментальными свойствами пространства-времени.

Не элементарный эксперимент

– Уважаемый профессор, расскажите, пожалуйста, о Большом адронном коллайдере – что это?

– Это международный научный проект CERN в Женеве, на котором проводятся разного рода эксперименты, призванные ответить на фундаментальные вопросы человечества: как развивалась ранняя Вселенная, существует ли вездесущий эфир и, если да, то какова его природа. Если описать простыми словами, адронный коллайдер – это сдвоенная труба диаметром около 10 см в виде кольца, находящаяся под землёй на глубине от 50 до 175 м в зависимости от ландшафта, протяжённостью 26,7 километра. В ней циркулируют заряженные частицы, в основном протоны, представляющие собой ядра самого элементарного в природе атома – водорода. Протоны и нейтроны принадлежат к классу элементарных частиц, называемых адронами, поэтому коллайдер назван адронным.

– Что лежит в основе эксперимента и что происходит в коллайдере?

– В основе эксперимента лежит та самая знаменитая формула Альберта Эйнштейна, устанавливающая соответствие между энергией и массой. Это означает, что любая форма энергии, в том числе просто энергия движения, может превратиться в материальный объект, то есть частицу. Таким образом если две частицы протона движутся навстречу друг другу с энергией движения, в десятки тысяч раз превосходящей их собственные массы, то при определённых условиях эта энергия может трансформироваться в частицу с массой в тысячи раз больше массы самого протона. Что, собственно, и происходит в адронном коллайдере, когда встречные пучки ускоренных протонов сводятся в единой точке пространства для столкновения – коллизии.

Пучок протонов состоит из сгустков, заключающих в себе около триллиона протонов, движущихся почти со скоростью света (300 000 км в секунду) друг за другом по круговой траектории на расстоянии порядка 10 метров. В четырёх точках кольца сдвоенная труба переходит в одинарную, где и происходит встреча протонных сгустков. Несколько десятков протонов из встретившихся сгустков сталкиваются, тогда как остальные продолжают свободное движение и после очередного оборота по кольцу коллайдера встречаются вновь. Движение по круговой траектории поддерживается с помощью очень сильных сверхпроводящих магнитов, охлаждаемых жидким гелием до минус 271°С. Высокочастотные генераторы электрического поля, находящиеся в определённом месте кольца коллайдера, осуществляют ускорение протонных сгустков, подталкивая их при каждом прохождении по кольцу. Результаты столкновений регистрируются детекторами, окружающими точки столкновения. Каждый из этих четырёх детекторов абсолютно уникален и представляет собой, пожалуй, самый крупномасштабный и сложнейший аппарат, созданный когда-либо человечеством.

Обычной материи во Вселенной всего лишь 4,5%. 26,5% Вселенной отводится на тёмную материю, в принципе доступную для исследования на коллайдере. Остальные 69% – это совсем фантастическая субстанция, так называемая тёмная энергия, которая должна обладать отрицательным давлением, что позволяет ей немного ускорять расширение нашей Вселенной.

Галактический «бульон»

– Можно ли сказать, что вся эта конструкция для того, чтобы протоны столкнулись и, сымитировав момент Большого взрыва, позволили понять, как появилась материя и мы?

– С большой долей условности – можно. Условия Большого взрыва подразумевают наличие раскалённого «бульона», состоящего из большого количества элементарных частиц. Из-за расширения Вселенной «бульон» остывает, что, в свою очередь, влечёт за собой фазовый переход – некую перестройку вакуума, приводящую к тому, что все элементарные частицы материи, из которой состоит окружающий мир, приобретают свои массы. Протонные столкновения, исследуемые с помощью коллайдера, позволяют лишь изучить условия процессов, которые были во время этого фазового перехода. Температура, при которой это происходило, чрезвычайно высока, то есть частицы в нашем «бульоне» обладали очень большими энергиями движения. Таким образом можно сказать, что, разгоняя протоны до энергий, соответствующих фазовому переходу в ранней Вселенной, мы имитируем процессы, происходящие в момент Большого взрыва.

Если ещё проще – была некая концентрация энергии, которая взорвалась и расширяется. Большой взрыв был, как взрыв гранаты. Энергия, до которой разгоняются протоны в коллайдере, примерно соответствует моменту, когда произошёл некий фазовый переход во Вселенной. Тогда возникли частицы, из которых появляется материя, и при этом они перестали быть эквивалентны друг другу. Нарушилась некая симметрия: одни частицы стали электронами, другие – кварками. Они приобрели соответствующие массы и оказались погружёнными в некий эфир, который вездесущ и называется Полем Хиггса.

 

Эфир вокруг нас

– Расскажите, пожалуйста, о бозоне Хиггса, который был открыт благодаря коллайдеру, и почему его называют частицей Бога?

– В физике элементарных частиц вакуум не является абсолютной пустотой, а представляет собой состояние некоего поля и характеризуется той или иной энергией. Такой вакуум всегда стремится прийти в состояние, соответствующее наименьшей возможной энергии – другими словами, стабилизироваться. Бозоны Хиггса в конденсированном состоянии и являются тем самым вакуумом, называемым Хиггсовским полем, перестройка которого в состояние с наименьшей возможной энергией придала частицам материи именно такие массы, что мы сейчас наблюдаем в окружающем нас мире. Благодаря взаимодействию с бозонами Хиггса, заполняющими своим конденсатом всё пространство, словно вездесущий эфир, в природе присутствует инертная масса. То есть все предметы сопротивляются попыткам привести их в движение, и нам приходится прилагать силу, чтобы ускорить что-либо материальное в нашем мире. Такого рода эфир невидим и неощутим какими-либо способами, как если бы мы представили рыбу, находящуюся в абсолютно прозрачной и спокойной воде. Такая рыба будет знать лишь то, что ей надо прилагать усилия, чтобы продвигаться в окружающем пространстве, не подозревая, что она погружена в некую среду. Таким образом мы ощущаем свою массу и, чтобы ускориться, нам нужно прилагать какие-то усилия. Но мы не можем ощущать эфир, как рыба не ощущает воду. Каждая частица, из которой мы состоим, взаимодействует с эфиром на микроскопическом уровне, поэтому мы это почувствовать не можем. Таким образом бозоны Хиггса вездесущи, не ощутимы и определяют одно из фундаментальных свойств материи – инертную массу. Чем не частицы Бога, как их часто называют с лёгкой руки журналистов?

– Можно ли извлечь индивидуальный бозон, вырвав его из конденсата бозонов?

– Удостовериться, что мы действительно живём, будучи погружёнными в Хиггсовское поле, можно только вырвав из конденсата бозонов Хиггса один индивидуальный бозон, распад которого будет содержать определённые сигналы, свидетельствующие о его существовании и свойствах. Бозоны Хиггса очень хорошо упакованы в конденсате, поэтому требуется большая энергия, чтобы извлечь индивидуальный бозон (бозон – это тип частиц, обладающих определёнными свойствами в статистической физике). Можно сказать, что коллайдер и является тем инструментом, который был способен подтвердить или опровергнуть описанную концепцию придания массы всем частицам материи. Наличие большой энергии у сталкивающихся протонов – это необходимое, но недостаточное условие. В некотором смысле наш эфир плохо восприимчив к попыткам привести его локально в возбуждённое состояние, чтобы он мог выплеснуть индивидуальные бозоны. Это вероятностный процесс. Другими словами: необходимо чтобы произошло огромное количество протонных столкновений, чтобы родился один, индивидуальный бозон Хиггса.

 

Конца света не видно

– Что бозон Хиггса рассказал нам о мире? Как это помогло постичь тайны Вселенной и человека?

– Главным сюрпризом, на мой взгляд, явилось то, что масса бозона Хиггса, измеренная с помощью коллайдера, говорит о том, что в настоящее время Хиггсовское поле не находится в своём минимально энергетическом состоянии.

То есть в некотором смысле мы живём в некоем ложном вакууме, который рано или поздно должен перестроиться, превратившись в истинный вакуум. Это будет соответствовать ещё одному фазовому переходу, подобному тому, который имел место быть в ранней Вселенной. Если такая перестройка произойдёт в каком-то месте нашей Вселенной, то образуется пузырь, заполненный новым вакуумом, который начнёт расширяться со скоростью света и, в конце концов, поглотит и разрушит весь окружающий мир. И мы исчезнем. К слову, кипячение воды тоже является фазовым переходом из жидкого состояния в пар, и пузыри, заполненные новым состоянием – водяным паром, расширяются и всплывают на поверхность под действием Архимедовой силы выталкивания. Окажись наш чайник для кипячения в невесомости, картина образования и расширения пузырей водяного пара сильно напоминала бы фазовый переход во Вселенной. К счастью для нас, как выяснилось из измерений параметров бозона Хиггса и параметров других элементарных частиц, влияющих на это явление, вероятность такого фазового перехода в нашей Вселенной очень мала, поэтому не следует ожидать скорого конца света. Хотя принципиальная возможность этого, как ни странно, существует. И тут снова уместно вспомнить метафору о частичке Бога.

Результаты коллайдера по исследованию бозона Хиггса продемонстрировали, что наша Вселенная не совсем стабильна и пребывает в некоем, хотя и в очень долгом, но всё же метастабильном состоянии. Вероятностью перехода из нашего метастабильного в стабильное состояние управляют законы квантовой механики, в которой возможно самое невероятное, пусть даже с очень маленькой, но в принципе не нулевой вероятностью.

 

Тёмная сторона Вселенной

– Коллайдер был построен не только для исследования бозона Хиггса…

– Исследование бозона Хиггса не являлось единственной целью, с которой был построен коллайдер. Уже давно было понятно, что теории стандартной модели взаимодействий элементарных частиц недостаточно – слишком много противоречий. Возникло так называемое суперсимметричное расширение этой модели. Следуя его предсказаниям, существуют очень тяжёлые частицы, которые плохо взаимодействуют с частицами материи. Они могут играть роль тёмной материи во Вселенной. И такие частицы можно получить на коллайдере. Тёмная материя во Вселенной состоит из частиц, которые очень слабо взаимодействуют с частицами обычной нашей материи. Таким образом частицы тёмной материи невидимы и их присутствие может ощущаться по наблюдению гравитационного поля, которое они создают, влияя на движение светящихся объектов во Вселенной. Сейчас мы с уверенностью можем сказать, базируясь на большом количестве астрономических наблюдений, проводимых как с поверхности Земли, так и с орбитальных установок, что обычной материи во Вселенной всего лишь 4,5%. Остальное, грубо говоря, весит, но не светит. Так 26,5% Вселенной отводится на тёмную материю, в принципе доступную для исследования на коллайдере. Остальные 69% – это совсем фантастическая субстанция, так называемая тёмная энергия, которая должна обладать отрицательным давлением, что позволяет ей немного ускорять расширение нашей Вселенной. Кстати, конденсат бозонов Хиггса, например, в ранней Вселенной, когда ещё не находился в своём псевдоминимальном энергетическом состоянии, обладал точно таким свойством. Конечно, в настоящую эпоху существования Вселенной, бозоны Хиггса не могут выполнять роль тёмной материи, но, возможно, это мог бы быть какой-то более лёгкий, ещё не открытый нами бозон. Хочу сразу сказать, что коллайдер – не тот инструмент, который мог бы нам дать ответ о природе тёмной энергии.

– Учитывая уникальность экспериментов и их мистичность в какой-то степени, есть ли вероятность возникновения иных пространств в пределах ЦЕРНа?

– Протоны, бомбардирующие на протяжении миллиардов лет атмосферу Земли, сталкиваются с протонами, содержащимися в молекулах воздуха. То есть происходит всё то же самое, что и на коллайдере. Энергии космических протонов зачастую во много десятков, тысяч и даже миллионов раз могут превосходить энергию протонов в коллайдере. Однако до сих пор, за столько миллиардов лет, нас не поглотило никакое иное пространство. Вот вам и ответ!

 

 

 

 

Екатерина Кожухарь,
Женева

Facebook Комментарии
Share Button

Sorry, comments are closed for this post.

Адрес редакции: Кишинев, ул. Дософтей, 122, офис 4. Тел. 022 85-60-88;
Рекламный отдел: +373 22 85 60 99; +373 69 24 51 62 / e-mail: exclusivmedia@mail.ru; zelinskaia_nata@mail.ru
PP Exclusiv Media SRL © Аргументы и факты в Молдове; e-mail: info@aif.md