Беседа о физике высоких энергий, бозоне Хиггса и космологии

В последнее время мне задали несколько интересных вопросов по физике, особенно в комментариях к статье «Что такое суперсимметрия». Чтобы ответы там не потерялись, я решил собрать всё это в более-менее связанную беседу о большом адронном коллайдере, открытии бозона Хиггса, судьбе Вселенной.

Физика фундаментальная и прикладная

Владимир: Меня уже много лет мучает вопрос, что это за физика такая сверхвысоких энергий? Почему считается допустимой своеобразная экстраполяция свойств материи от «обычных» энергий в пределах 200 МэВ до десятков ТэВ и более? Почему никто не задается вопросом о том, что при сверхвысоких энергиях составные элементы «обычной» материи проявляют специфичные свойства, принципиально отличные от «нормального» состояния? Может быть, наблюдаемые свойства материи при сверхвысоких энергиях — это ее совершенно особое состояние, в определенном смысле не имеющее ничего общего собственно с материей как таковой? Может быть, в этой области энергий начинают работать специальные защитные механизмы Природы, не имеющие статистической значимости для процессов взаимодействия во Вселенной? Т.е. сверхвысокие энергии не дают ровным счетом никакого понимания структуры материи и исполнительных механизмов ее взаимодействия для нормальных условий во Вселенной: от межгалактического вакуума до процессов в центрах звезд. Такого быть не может?

Если отвлечься от деталей, то такая экстраполяция в область неизвестного вполне естественна. Однако результаты экстраполяции никто за истину не выдает. Сравнивая эти результаты с экспериментом, ученые либо расширяют область применимости существующей теории, либо предлагают новую теорию.

Если говорить о конкретных энергиях, то при переходе от сотен МэВ до десятков ТэВ происходит много всего интересного. Проявляется кварковая природа протонов, начинают играть определенную роль тяжелые частицы вроде W- и Z-бозонов, топ-кварка и недавно открытого бозона Хиггса. Так что о простой экстраполяции говорить не приходится.

Изучение сверхвысоких энергий действительно не прольет дополнительный свет на природу большинства процессов во Вселенной. Например, процессы в центрах звезд — реакции термоядерного синтеза — протекают при энергиях (температурах) в десятки МэВ. Они хорошо известны. Но сверхвысокие энергии существовали во Вселенной на самых ранних этапах ее развития. Есть достаточное количество свидетельств (реликтовое излучение, первичный нуклеосинтез и др.) в пользу того, что Вселенная на первых этапах эволюции была очень плотной и горячей. Так что можно считать, что физика высоких энергий — это физика ранней Вселенной.

Владимир: Следует ли вас понимать так, что все процессы преобразования атомных ядер от водорода до элементов группы железа и далее до трансурановых элементов могут быть рассчитаны со сколь угодно большой наперед заданной точностью? У меня почему-то до сих пор живо представление, что если это и считается, то только с помощью теорий, прочно базирующихся на вероятностных методах оценки. Т.е. существующие модели построены на основе обработки и анализа статистических данных и, по сути, являются интерполяционными. Такие модели могут иметь хорошее согласование с наблюдаемыми данными, могут предсказывать состояние систем и даже приводить к открытию новых свойств и объектов, но они все равно остаются лишь моделями описания внешних проявлений систем. Они ничего не говорят о внутреннем устройстве материи и исполнительных механизмах этих систем. На основании этих моделей можно лишь строить более или менее удачные интерпретации, как, например, модель атома Бора, которая сегодня уже, правда, считается наивной. Это не так? В этой области уже все известно?

Я не специалист по ядерной физике, поэтому мне придется изложить свое представление, которое может быть не вполне точным. Рассчитать ядерные реакции, как и что-либо вообще, со сколь угодно большой точностью не получится. Но в принципе для расчета нужно не так много данных. Для каждой реакции есть своя характеристика — сечение. Она показывает темп реакции. Рассчитать ее из первых принципов трудно, как и в квантовой механике трудно вычислить частоты излучения любого атома (в отличие от простейшего атома водорода). Сечения измеряют на практике, и потом с их помощью можно подсчитать ход любых процессов, в том числе в звездах или в первые минуты жизни Вселенной.

В некотором смысле вы правы, что используется статистический метод анализа. Но он используется для определения небольшого количества параметров, а это меняет дело.

Владимир: Тогда не сочтите за идиотское упрямство, объясните, пожалуйста, почему во всех популярных изданиях практически всегда присутствуют слова: «это поможет ученым лучше понять устройство материи и нашей Вселенной». О каком устройстве материи идет речь? О той материи, которая окружает нас и из которой состоим мы сами, или о той, которая была когда-то во времена гипотетического начала всех начал?

Разумеется, эксперименты на ускорителях помогают лучше «понять» устройство материи и Вселенной. Высокие энергии, недоступные современным ускорителям, присутствовали не только в ранней Вселенной. В результате разных процессов и сейчас в космических лучах есть частицы с такими энергиями. Они тоже как-то взаимодействуют. Чем эти частицы и эти взаимодействия хуже остальных частиц? Как показывает история развития физики, при росте энергии (или, что то же самое по соотношению неопределенностей, при уменьшении расстояний) физические законы и теории упрощаются. Любопытно посмотреть, что окажется дальше.

Вселенная

Владимир:  У меня возникает целый ряд вопросов пополам с эмоциями. Эмоции в значительной степени относятся к непостижимой страсти современных ученых к теории Большого Взрыва, о которой в большинстве случаев уже и не говорят даже как о теории. Это точно установленный факт? На каком, простите, основании? Насколько мне опять-таки известно, математическая модель Большого Взрыва строилась подгонкой математических выражений и методов к фактическим наблюдательным данным и никоим образом не следует ни из какой более общей теории и тем более непосредственного наблюдения. Модель эта за время своего существования претерпела множество кризисов, которые удалось преодолеть, на мой взгляд, не совсем естественным образом. Теория Большого Взрыва была остро необходима не из общефизических, если так можно выразиться, соображений, а для того, чтобы теоретикам можно было к чему-то приложить методы анализа. Иначе имела место полная неопределенность в космологии. Но почему никто не пытается найти альтернативного объяснения реликтовому излучению и ускоренному расширению видимой материи? Что если такое объяснение существует и оно более пригодно для построения обобщенной теории?

На самом деле нет никакой теории. Большой взрыв — это просто представление о том, что Вселенная на ранних этапах была сверхплотной и горячей. С такой точки зрения это точно установленный факт, о чем свидетельствует реликтовое излучение. Оно образовалось в момент рекомбинации ионов в плазме (объединения электронов и ядер в атомы), когда ее температура была около 3000 К, а Вселенной было 380 тысяч лет.

Представление о большом взрыве зародилось, когда Фридман обнаружил нестационарные решения уравнений Эйнштейна. Когда Эйнштейн сформулировал общую теорию относительности, господствовали представления о стационарной (неизменной во времени) Вселенной. Оказалось, что у уравнений Эйнштейна нет стационарных решений. После небольшой модификации такие решения нашлись, но они оказались неустойчивы. Это легко понять: если в какой-то области материи больше, чем в остальных, то она и дальше уплотняется под действием притяжения. Так вот, фридмановские решения описывают расширяющуюся однородную Вселенную. Современные космологические модели основаны на них. И первое свидетельство в их пользу — разбегание галактик — было открыто Хабблом.

Николай: Фотон, зародившийся, скажем, при взрыве сверхновой, будет лететь до тех пор, пока не поглотится веществом. Но если предположить, что этот самый фотон не встретил на своем пути вещество, то он, получается, должен лететь вечно. Раз так, то и Вселенная должна быть бесконечной. Логично ли это с точки зрения теорфизики, вечное движение — бесконечная Вселенная?

Это логично, если предположить, что Вселенная должна описываться специальной теорией относительности, в которой пространство (несмотря на «объединение» со временем в пространство-время) плоское, однородное, в общем, такое, к которому мы привыкли. Однако с данными наблюдений такая картина не согласуется. Мы наблюдаем расширяющуюся Вселенную, и для ее описания нужно применять общую теорию относительности.

Если это сделать, то получается, что возраст Вселенной — 13 миллиардов лет, поэтому даже фотон, испущенный сразу после рождения Вселенной, не может улететь сколь угодно далеко. Более того, пространство расширяется, объекты со временем становятся дальше друг от друга, и фотону требуется больше времени, чтобы долететь из точки А в точку Б, чем расстояние АБ в момент испускания, деленное на скорость света. А если расширение Вселенной ускоренное («скорость» А относительно Б растет со временем; именно это впервые наблюдали в 90-х и за это дали Нобелевскую премию в прошлом году), то существуют такие достаточно удаленные друг от друга точки А и Б, что свет от А вообще никогда не дойдет до Б.

Такой взгляд на распространение света во Вселенной предлагает современная теоретическая физика. А вопрос о бесконечности Вселенной открыт. По всей видимости, ее размер гораздо больше видимой части, то есть больше десятков  миллиардов световых лет.

Антон: В одном месте вы пишете, что «Общая теория относительности дает ответ на вопрос, что такое гравитация. Эта теория неплохо работает и объясняет наблюдения. Отклонений от нее не найдено.»  А в другом «Прямым указанием на существование темной материи являются зависимости скоростей звезд в спиральных галактиках от их расстояния до центра. Эту зависимость легко вычислить. Оказывается, экспериментальные данные существенно расходятся с предсказаниями теории.»

Оказывается, проще ввести темную материю, чем заподозрить, что у ОТО возможны отклонения?

Дело в том, что для описания скоростей звезд в галактиках можно применять обычный ньютоновский закон всемирного тяготения, который проходят в школе. На масштабах галактики эффекты ОТО гораздо меньше, чем наблюдаемое отклонение скоростей от теоретических предсказаний. Получается, что нужно подозревать в неточности не ОТО, а сам закон всемирного тяготения.

Разумеется, были и попытки изменения этого закона, однако они были обречены на провал, потому что зависимость скорости звезд от расстояния до центра у каждой галактики своя. Не получается изменить закон всемирного тяготения так, чтобы объяснить все результаты наблюдений галактик. Поэтому была высказана гипотеза о существовании темной материи. В одних галактиках ее много, в других почти нет. Из-за этого и вращение в галактиках происходит по-разному.

Есть и другие свидетельства существования темной материи. Вот, например, космологическое свидетельство. Если бы вся материя была барионной, взаимодействующей с излучением, то при расширении Вселенной с момента рекомбинации зародыши неоднородности распределения материи (которую мы сейчас наблюдаем как неизотропность реликтового излучения) не смогли бы вырасти в скопления галактик, как это, очевидно, произошло.

Такое несоответствие объясняется тем, что в момент рекомбинации неоднородность распределения темной материи была больше, и потом обычная материя «упала» туда, где уже собралась темная материя, и сжалась в скопления галактик, галактики и т. д.

Бозон Хиггса, ускорители, квантовая физика

Виктор: Значение открытия новой частицы — претендента на роль бозона Хиггса освещается специалистами неоднозначно. Хотелось бы услышать ваше мнение.

Здесь всё просто. Есть стандартная модель, которая прекрасно описывает результаты экспериментов. В стандартной модели есть неоткрытая частица — бозон Хиггса. И вот на ускорителе находят частицу, распадающуюся как бозон Хиггса. Скорее всего, это он и есть, обратное маловероятно.

Аркадий: В связи с открытием бозона Хиггса на основе уже имеющихся данных можно ли сказать, что масса легких частиц образуется по тому же механизму, что и масса тяжелых? И есть ли взаимосвязь между «легкостью» лептонов и кварков и несоответствием Стандартной модели «интенсивности» распада бозона Хиггса как раз на этих каналах?

Большинство ученых сходится в том, что масса фундаментальных частиц стандартной модели (кварков и лептонов) определяется взаимодействием с неким скалярным полем, имеющем в силу некоторых причин в каждой точке пространства одинаковую величину (вакуумное среднее; выпадает в «конденсат»).

Если верна стандартная модель, то бозон Хиггса — это возмущение того самого скалярного поля. В суперсимметричном варианте стандартной модели целых два вакуумных средних (за одно цепляются «верхние» кварки и нейтрино, за другое — «нижние» кварки и заряженные лептоны) и пять хиггсовских бозонов, легчайший из которых похож по свойствам на хиггсовсий бозон обычной стандартной модели. Пока что слишком мало данных, чтобы понять, какой вариант реализуется на самом деле. Может быть, это что-то третье.

В названных моделях механизм не зависит от конкретных значений масс частиц. Связь между массой частиц и вероятностью их появления при распаде бозона Хиггса простая: чем легче частицы, тем труднее хиггсовскому бозону распасться на них, потому что и за приобретение массы частицами, и за распад Хиггса отвечает одно и то же взаимодействие.

Аркадий: Не затруднит ли простым языком описать проблему иерархии. Почему именно на бозон Хиггса влияние полей ведет к взлету энергии, а в случае других частиц вписывается в стандартную модель?

Масса частиц (как и другие характеристики взаимодействий) в квантовой теории поля приобретает петлевые поправки. Например, электрон может в некий момент испустить и тут же поглотить виртуальный фотон. Конечно, это некоторое упрощение реальности. Но слагаемое в математическом выражении, описывающем поправки, можно наглядно представить именно таким образом.

Оказывается, что подобная петлевая поправка бесконечна. На пальцах это означает, что чем ближе мы подбираемся к электрону, тем больше вокруг него всяких виртуальных частиц. Это неприятно, но с этим можно примириться, если предположить, что собственная масса «голого» электрона равна «минус бесконечности» и, складываясь с бесконечно большой массой «шапки» виртуальных частиц, дает конечную наблюдаемую массу.

Но стандартная модель не может описывать физику для всех расстояний (или энергий), хотя бы потому, что не включает в себя гравитацию. Как вычислять поправку, связанную с «новой физикой», неясно. Ясно одно: поправка, вычисленная в стандартной модели, перестает быть бесконечной, хотя и остается большой. Теперь мы должны считать, что собственная масса голого электрона не бесконечная, хотя и очень большая (по абсолютной величине, по знаку отрицательная). Проблема иерархий состоит в том, что если эти два числа большие, они должны быть подогнаны очень хорошо, чтобы большая поправка и большая собственная масса почти сократились и дали небольшую наблюдаемую массу.

Для простоты я рассказал о петлевых поправках на примере электрона, но для него не существует особой проблемы, потому что поправка к массе растет медленно, как логарифм той энергии, на которой проявляется новая физика. Единственная частица стандартной модели, для которой поправка растет очень быстро (как сама энергия) — это бозон Хиггса. Причина различий поправок в конечном итоге связана со спином частиц. Хиггсовский бозон — единственная частица стандартной модели с нулевым спином.

Когда говорят о проблеме иерархий, приводят два масштаба энергий: 100 ГэВ в стандартной модели (в этом районе находится хиггсовское вакуумное среднее, массы W- и Z-бозонов) и 10¹⁹ ГэВ (планковская энергия, предположительно здесь начинает работать квантовая гравитация). Сами видите, с какой точностью должны быть подогнаны числа из 19 знаков, чтобы после вычитания давать массу бозона Хиггса в 125 ГэВ.

Антон: «В частности, это означает, что при приближении к электрону на расстояния, гораздо меньшие размеров атома, начинает меняться его заряд.» При приближении чего к электрону? Любой материальной частицы?

«На пальцах это означает, что чем ближе мы подбираемся к электрону, тем больше он начинает испускать и поглощать всяких виртуальных частиц.» Опять таки, какая-то детективная история:-) — «Мы подбираемся».

Поподробней, пожалуйста.

Скорее это образный язык, за которым стоит соотношение неопределенностей Гейзенберга: если вы хотите исследовать малые расстояния, то вам нужны частицы с большими импульсами (и энергиями).

На опыте частицы сталкиваются друг с другом. Например, чтобы сблизить два электрона, их нужно разогнать. Чем больше энергия, тем меньше предельное расстояние между ними.

Антон: Считаете ли Вы, что открытие в 2012 году частицы, очень похожей на бозон Хиггса, — пока главное научное событие 21-го века?

Про всю науку говорить не буду, но в физике, похоже, это действительно одно из главных событий. Хиггсовский бозон был предсказан почти полвека назад. Его открытие ожидалось на нескольких предыдущих ускорителях. Неудача объясняется тем, что теория не предсказывает массу бозона Хиггса. Как мы сейчас знаем, он в 130 раз тяжелее протона, и предыдущие ускорители разгоняли частицы до меньших энергий.

Антон: Другой кандидат на главное событие текущего века — превышение скорости света на 0,0026 %, тоже зарегистрированное на LHC.

Да, такой результат был получен на эксперименте «Опера» в итальянской подземной лаборатории Гран-Сассо, но большинство физиков к нему отнеслись с недоверием, потому что он вступает в противоречие с огромным количеством фактов, подтверждающих специальную теорию относительности.

После предварительной проверки в качестве причины задержки называли кабель, идущий от приемника GPS к плате в компьютере. Результат «Оперы» был перепроверен соседним экспериментом «Икарус», работающем с тем же источником нейтрино в Церне, и он не подтвердился.

Забавно, что пока результат не был опровергнут, некоторые пытались «объяснить» его в рамках своих (не поддерживаемых сообществом) теорий.

Антон: Оба детектора (СMS и ATLAS) установили, что вероятность распада хиггсона на два фотона в 2 раза выше, чем предсказано Стандартной моделью. Если это подтвердится с достаточной статистической значимостью, то как это отразится на Вашей работе?

Пока трудно сказать, это может оказаться намеком на «новую физику» за пределами стандартной модели. Но в принципе этот результат не должен идти в отрыве от других результатов, которые будут получены к тому времени.

Антон: При переходе от модели Резерфорда к Стандартной модели электрон так и остался неделимым. Очень интересен вопрос о том, как же он всё-таки «раздваивается» при прохождении через две щели. Какова вероятность, что в 21 веке могут быть найдены составные части электрона?

Нужно понимать, что наличие в квантово-механическом объекте составных частей и интерференция в двухщелевом эксперементе — это не связанные друг с другом вещи. Интерференция наблюдается и на пучках атомов, и на пучках крупных молекул, содержащих до сотни атомов.

По современным представлениям электрон неделим, в отличие от атома, который состоит из электронов и ядер, или от протона, в котором можно найти связанные глюонами кварки.

Проще всего считать, что электрон — это не простая точечная частица, а размазанный, протяженный объект. Когда он попадает на фотопластинку, на ней чернеет только одно зерно. Такова особенность квантовых объектов: они проявляют точечные свойства, когда результат взаимодействия может быть зарегистрирован.

При этом электрон проходит сразу через две щели, потому что нельзя разобрать, через какую именно щель прошел электрон. Можно попытаться это выяснить с помощью источника света и детектора. Но оказывается, что когда мы узнаем, через какую щель проходит частица, интерференционная картина разрушается.

Эта штука иногда называется корпускулярно-волновым дуализмом, иногда коллапсом волновой функции. Но понять это совершенно невозможно, можно только делать формальные предсказания и наблюдать их подтверждения во множестве экспериментов.

Аркадий: В принципе, вы написали, наверно, наиболее просто, как только возможно это объяснить. Просто мы (не физики) пытаемся представить себе все натурально. Однако, эти поправки возникают на уровне формул… Попытки же представить себе все увеличивающееся количество различных мезонов, лептонов и т.д. при «приближении» камеры к шарику с буковкой «е» на боку приводит к истерии на грани тихого помешательства :)) Хотя так все понятно — чем мощнее шандарахнуть 2 частицы, тем на большее количество новых частиц все это великолепие разлетится, а увеличение мощности столкновения для физиков и есть «приближение» камеры.

В общем, всё верно. Дело в том, что наш мозг не приспособлен для исследования таких вопросов, поэтому, например, квантовую механику невозможно представить наглядно. Чтобы сделать какие-нибудь предсказания, нужно записать уравнения, решить их и понять, что означает результат. После работы с формулами у физиков, конечно, появляется определенная интуиция, но со стороны она, наверно, выглядит, как шаманство :)