Эра Хиггса: над чем сейчас работают физики всего мира

Бозон найден, ну а что дальше? Стандартная модель и общая теория относительности — замечательные конструкции, но физики понимают: они не только трудносовместимые, но и далеко не полные. Должно быть что-то более интересное. Физики надеются найти ответ с помощью элементарных частиц, предсказанных различными теориями — вот только прежде нужно обнаружить сами эти частицы. "Футурист" подумал, где их можно поискать.

Где прячется новая физика

Физики встревожены. Четыре года назад Большой адронный коллайдер (БАК) подтвердил существование бозона Хиггса, последнее выдающееся предсказание Стандартной модели. Ученые, естественно, были уверены, что БАК будет также находить и другие частицы. Сейчас их большие надежды кажутся зыбкими фантомами — и это с учетом всех данных, которые они собрали за все это время.

Тайников для новых физических явлений становятся все меньше. Но исследователи еще не исчерпали свои возможности. Вот наиболее перспективные направления, куда нужно копать.

Слабые взаимодействия

Количество новых частиц, появившихся при столкновении протонов, зависит от силы их взаимодействия. Слабо взаимодействующие частицы могут появляться при столкновении протонов в БАК настолько редко, что мы их до сих пор не смогли зафиксировать.

Физики предложили множество гипотетических частиц, которые попадают в эту категорию, так как слабо взаимодействующие частицы подозрительно напоминают темную материю. В частности, это слабо взаимодействующие массивные частицы (вимпы), стерильные нейтрино и аксионы (предложенные для решения CP-инвариантности, а также кандидаты на роль темной материи).

Ученые ищут эти частицы путем прямых измерений: они мониторят редкие взаимодействия в больших резервуарах в подземных шахтах. Также физики высматривают необъяснимые астрофизические процессы, которые могли бы намекнуть на то, где прячутся загадочные аксионы.

Высокие энергии

Если предположить, что частицы, которые нам нужны, не слабо взаимодействующего типа, то мы бы их уже заметили — в случае, если их масса не выходит за пределы энергии, которую мы получаем на ускорителях частиц.

Теория суперсимметрии гласит, что у каждой частицы во Вселенной есть противоположная частица-близнец, известная как суперсимметричная частица, суперпартнер. Мы можем обнаружить все суперсимметричные частицы-партнеры, которые тяжелее, чем частицы Стандартной модели, так как они нарушают суперсимметрию. Кроме того, в высоких энергиях могут прятаться возбуждения частиц, которые существуют в моделях с дополнительными измерениями (теория суперструн, теория бран). Эти возбуждения похожи на гармоники струны и отображаются на определенных дискретных энергетических уровнях, которые зависят от размера дополнительного измерения.

Строго говоря, на вопрос, можно ли обнаружить ту или иную частицу, отвечает не масса, а энергия связи. Сильное ядерное взаимодействие показывает конфайнмент — невозможность получения кварков в свободном состоянии несмотря на то, что их масса незначительна. В некоторых моделях из этого следует, что кварки состоят из преонов, которые взаимодействуют между собой по аналогии с сильной ядерной силой. Такой тип взаимодействия назвали техниколор (Technicolor). Наиболее очевидные преонные модели, однако, вступили в противоречие с существующими данными. Впрочем, идея не совсем мертва, хотя и не особенно популярна.

Все эти явления ученые пытаются зафиксировать на БАК.

Мельчайшие эффекты

Высокоточные испытания Стандартной модели процессов дополняют измерения высоких энергий. Они могут быть чувствительны к мельчайшим эффектам, вытекающим из виртуальных частиц с энергиями слишком высокими, чтобы их можно было быть произвести на коллайдере. Однако из-за квантовых эффектов эти испытания проводятся и на более низких энергиях: например, измерения распада протона, нейтрона, антинейтронных колебаний, мюона g-2, электрического дипольного момента. Точность этих измерений постоянно растет.

Ранняя Вселенная

В ранней Вселенной материя была гораздо плотнее и горячее, чем мы можем надеяться когда-либо достичь в наших ускорителях элементарных частиц. Следовательно, следы той эпохи могут подарить нам новые открытия. Колебания температуры в космическом микроволновом фоне (эхе Большого Взрыва) могут помочь нам узнать о сценариях космической инфляции или об альтернативных вариантах развития нашего мира (например, фазовый переход Вселенной из негеометрической фазы в геометрическую).

В далекой-далекой галактике

Некоторые свидетельства существования другой физики проявляются на огромных расстояниях. Нерешенным вопросом остается, например, форма Вселенной: действительно ли она является бесконечно большой, или же она просто замыкается обратно на себя? И если это так, то как это происходит? Можно изучить эти вопросы путем поиска повторяющихся закономерностей в колебаниях температуры космического микроволнового фона. Если мы живем в мультивселенной, скорее всего, какие-нибудь две вселенные сталкивались, и это могло оставить след в космическом микроволновом фоне.

Другое явление, заметное на больших расстояниях, — это так называемая пятая сила или пятое физическое взаимодействие, дополняющее четыре фундаментальных (сильные и слабые взаимодействия, электромагнетизм и гравитация). Пятая сила должна привести к тонким отклонениям от общей теории относительности: это могут быть любые виды эффектов, от нарушения принципа эквивалентности к временной зависимости темной энергии. Это и проверяют исследователи: существуют высокоточные эксперименты по проверке принципа эквивалентности и постоянства темной энергии.

Рядом с нами

Не все эксперименты являются дорогими и масштабными. В то время как открыть что-то на БАКе становится все сложнее — просто потому, что мы испробовали почти все, что можно было бы сделать — есть еще области, где небольшие лабораторные эксперименты проникают на неизведанную территорию. В частности, речь идет о квантовой механике, где наноразмерные устройства, одиночные источники фотонов и детекторы, а также все более изощренные методы контроля шума сделали возможными немыслимые ранее эксперименты. Возможно, в один прекрасный день мы сможем решить спор о "правильной" интерпретации квантовой механики, всего лишь проведя необходимые измерения.

Оригинал статьи

Комментарии