Стандартная модель может быть в беде, а может и не быть, но физику элементарных частиц определенно нужно спасать. Вот на что способен новый БАК.
Ключевые выводы
- Стандартная модель физики элементарных частиц - самая успешная физическая теория в истории, и единственные «трещины» в ней - спорные, относительно новые и неподтвержденные.
- Большой адронный коллайдер после обнаружения бозона Хиггса, но ничего принципиально нового, только что перезапустился после того, как был закрыт более трех лет.
- Столкновений протонов с протонами больше, чем когда-либо прежде, хотя энергия этих столкновений не увеличилась, есть все основания надеяться, что это спасет экспериментальную физику элементарных частиц.
Все в сообществе физиков согласны: физика элементарных частиц в беде. Тем не менее, в зависимости от того, кого вы спросите, вы, вероятно, услышите, что корень проблемы кроется в нескольких очень разных местах.
- Физика элементарных частиц находится в беде, потому что в Стандартной модели теперь так много трещин, что, возможно, пришло время отбросить наши самые заветные предположения и начать все сначала.
- Физика элементарных частиц в беде, потому что теоретики сбивали нас с пути на протяжении поколений, и мы продолжаем нестись по тому же пути.
- Физика элементарных частиц в беде, потому что Большой адронный коллайдер нашел только ожидаемый бозон Хиггса и не смог найти ничего нового, и тем не менее физики элементарных частиц хотят новый и более мощный ускоритель.
Но дело не в этом; все это удобные, но неполные нарративы, в которых намеренно упущены самые важные аспекты происходящего. Правда в том, что за уже исследованными границами предстоит узнать гораздо больше, и ценность этих знаний неизвестна, пока мы не выйдем и не найдем их. Есть веские основания не только начать строить следующий ускоритель частиц сейчас, но и обратить самое пристальное внимание на то, что обнаружит БАК в течение следующего решающего десятилетия. Вот история, которую вы не получите больше нигде.
Эта диаграмма частиц Стандартной модели показывает фермионы в верхнем ряду, калибровочные бозоны в среднем ряду и Хиггс внизу. Линии указывают связи, и вы можете видеть, какие фермионные частицы взаимодействуют с какими силами по синим линиям. Все, что имеет массу, связано с бозоном Хиггса; единственные частицы, которые не имеют массы (и, следовательно, не имеют массы) - это фотон и глюоны. Если там есть новые частицы, их связи могут выявить их присутствие косвенно, посредством прецизионных измерений, которые сравнивают наблюдаемые свойства частиц с предсказанными Стандартной моделью.
Физика элементарных частиц имеет две стороны: теоретическую и экспериментальную. С теоретической точки зрения есть Стандартная модель, которая, возможно, является самой успешной физической теорией всех времен, а также есть идеи о том, что лежит за пределами Стандартной модели. Стандартная модель - это прогностическая основа для понимания частиц в нашей Вселенной, их свойств, того, как они взаимодействуют и распадаются, а также того, что мы ожидаем от результатов любого конкретного лабораторного эксперимента. Существуют также расширения Стандартной модели - возможные пути выхода за ее пределы - которые подробно изучались в течение последних 50 с лишним лет.
Стандартная модель сообщает нам, какие существуют частицы и как они соединяются друг с другом, и позволяет нам определить не только то, какие взаимодействия возможны, а какие запрещены, но и какова относительная вероятность каждого потенциального результата. Есть много способов проверить Стандартную модель, но, возможно, наиболее эффективным является столкновение двух частиц, движущихся с максимально возможными равными и противоположными скоростями, снова и снова, столько раз, сколько вы можете, и определить, что происходит. выходит. Достаточно точно измерив обломки этого столкновения, вы сможете восстановить то, что произошло на каждом этапе пути.
Внутри БАК, где протоны пересекаются со скоростью 299 792 455 м/с, что всего на 3 м/с меньше скорости света. Ускорители частиц, такие как LHC, состоят из секций ускоряющих полостей, в которых применяются электрические поля для ускорения частиц внутри, а также изгибающих колец частей, где применяются магнитные поля, чтобы направить быстро движущиеся частицы либо к следующей ускоряющей полости, либо к следующей ускоряющей полости. или точка столкновения.
Большой адронный коллайдер (БАК) в ЦЕРНе - самый мощный ускоритель частиц в истории Земли, способный достигать энергий примерно 7 ТэВ на частицу. Это соответствует ускорению протонов до 299 792 455 м/с каждый, что всего на 3 м/с меньше максимально достижимой скорости во Вселенной: скорости света. В течение многих лет, с тех пор как он впервые включился в 2008 году, БАК столкнулся с таким же количеством протонов с другими протонами:
- собираем их вместе,
- вращая их по часовой и против часовой стрелки в своем большом кольце,
- рассчитывают свои движения таким образом, чтобы сгустки пересекались в определенных «точках столкновения»,
- где большие детекторы ожидают этих столкновений,
- и они измеряют на ряде расстояний энергию, импульс, заряд, вращение и другие свойства частиц, возникающих в результате этого столкновения.
Измеряя, что получается в результате этих столкновений, и сравнивая эти экспериментальные результаты с теоретическими предсказаниями, полученными как в сценариях, основанных только на Стандартной модели, так и в сценариях, выходящих за рамки Стандартной модели, вы можете определить, насколько хорошо Стандартная модель сама по себе соответствует тому, что вы наблюдали. Любые отклонения от него, если они достаточно устойчивы, заставят все сообщество сесть и обратить на это внимание.
Треки частиц, возникшие в результате столкновения с высокой энергией на БАК в 2012 году, показывают рождение многих новых частиц. Построив сложный детектор вокруг точки столкновения релятивистских частиц, можно реконструировать свойства того, что произошло и было создано в точке столкновения, но то, что создано, ограничено доступной энергией из уравнения Эйнштейна E=mc^2.
До БАК мы обнаружили несколько замечательных трещин на фасаде Стандартной модели: вещи, которые стали для нас неожиданностью.
- Мы обнаружили, что нейтрино и антинейтрино не были безмассовыми и не оставались одним и тем же видом частиц, а имели ненулевую массу покоя и колебались от одного аромата (электрон, мю, тау) другим, особенно когда они взаимодействовали с материей.
- Мы обнаружили, что темная материя существует, и смогли исключить все частицы Стандартной модели (как их предсказывает Стандартная модель) в качестве подходящих кандидатов.
- Мы обнаружили ускоренное расширение Вселенной, которое мы приписываем новой форме энергии (темной энергии), которую опять-таки ничем нельзя объяснить в рамках Стандартной модели.
- Мы знали, что в сильных взаимодействиях не было CP-нарушения; только в слабых взаимодействиях, несмотря на то, что Стандартная модель допускает и то, и другое. Если вращающаяся частица распадается, античастица, вращающаяся в противоположном направлении, ведет себя иначе при слабых взаимодействиях, но не при сильных взаимодействиях, и никто не знает почему.
- И, наконец, мы живем во Вселенной, состоящей преимущественно из материи, а не из антиматерии, но законы физики не имеют достаточной асимметрии между ними, чтобы создать богатую материей Вселенную, в которой мы живем сегодня.
Во многих отношениях еще до того, как Большой адронный коллайдер впервые заработал, мы знали, что во Вселенной должно быть нечто большее, чем дает нам Стандартная модель.
После того, как пары кварк/антикварк аннигилируют, оставшиеся частицы материи связываются в протоны и нейтроны на фоне нейтрино, антинейтрино, фотонов и пар электрон/позитрон. Будет избыток электронов над позитронами, чтобы точно соответствовать количеству протонов во Вселенной, сохраняя ее электрически нейтральной. Как возникла эта асимметрия материи-антиматерии, остается большим вопросом современной физики, на который нет ответа.
Но на коллайдерах частиц, где мы берем материю (а иногда и антиматерию), сталкиваем ее вместе при высоких энергиях и наблюдаем обломки частиц, которые вылетают, не было никаких наблюдений или измерений, которые выдерживали бы испытание временем, которое противоречит предсказаниям Стандартной модели. Когда БАК начал сталкиваться с частицами, это была последняя надежда для многих теоретических идей, которые многие десятилетия толковали как правдоподобные объяснения того, что может быть за пределами Стандартной модели..
Такие идеи, как суперсимметрия, дополнительные измерения, многоцветность, супергравитация, великое объединение и вдохновленные теорией струн расширения Стандартной модели, в большинстве случаев были в моде уже около 40 с лишним лет. И тем не менее, в этих сценариях были только постоянно ужесточающиеся ограничения. Было несколько ложных тревог, которые появились из первых результатов LHC - предварительное свидетельство «дибозонного удара», который мог быть новой частицей с энергией 2-3 ТэВ, которая испарилась; свидетельство «дифотонного удара», которое могло означать новую частицу с энергией около 700 ГэВ, которая также исчезла с увеличением количества данных; доказательства существования нейтрино со скоростью выше скорости света, которые оказались ошибкой оборудования, но ничего не подтвердилось. Было показано, что с большим количеством и лучшими данными все эти результаты являются простыми статистическими случайностями.
Протон - это не просто три кварка и глюона, а море плотных частиц и античастиц внутри. Чем точнее мы смотрим на протон и чем при больших энергиях проводим эксперименты по глубоконеупругому рассеянию, тем больше субструктур мы находим внутри самого протона. Кажется, что нет предела плотности частиц внутри, но при достаточно высоких энергиях протоны и нейтроны распадаются, образуя кварк-глюонную плазму: собственное высокоэнергетическое состояние материи.
Прошло целое десятилетие с тех пор, как был открыт бозон Хиггса, и было установлено, что он обладает только свойствами, предсказанными Стандартной моделью. На данный момент нет никаких новых данных об ускорителях, прямо или косвенно, для любых фундаментальных частиц, которые не учитываются Стандартной моделью, а также для любых взаимодействий или распадов, которые не предсказаны Стандартной моделью.
Учитывая, что это так, вы можете найти множество пессимистичных подходов к физике элементарных частиц в целом, и найти много - как физиков, так и не физиков - которые рассматривают большие коллайдеры как дорогое безумие, время которого должно подойти к концу.
Все эти версии не только неискренни, представляя сильно искаженную и в целом неточную версию фактической истины, но и упускают из виду фундаментальный момент не только физики элементарных частиц, но и физики в целом как научной дисциплины.. Физика - это экспериментальная наука, и способ продвижения экспериментальной науки состоит в том, чтобы подвергнуть Вселенную исследованиям, которым вы никогда не подвергали ее раньше, и очень внимательно и внимательно прислушиваться к тому, что она вам говорит. Так вы узнаете больше о фундаментальной природе реальности.
Частицы Стандартной модели и их суперсимметричные аналоги. Этот спектр частиц является неизбежным следствием объединения четырех фундаментальных взаимодействий в контексте теории струн, но суперсимметрия, теория струн и наличие дополнительных измерений остаются спекулятивными и не имеют каких-либо наблюдательных доказательств.
Это справедливо для любого физического поля.
- Если вы хотите изучить низкотемпературную Вселенную, вы всегда стремитесь к следующей значащей цифре в своем стремлении к абсолютному нулю. От нескольких кельвинов до милликельвинов, от микрокельвинов до нанокельвинов, а теперь и до пикокельвинов, каждый шаг к холоду раскрывает больше свойств материи в экстремальных условиях, чем когда-либо прежде.
- Если вы хотите изучить астрофизическую Вселенную, вы раздвинете границы того, что вы можете увидеть с точки зрения глубины (построив более крупные обсерватории), с точки зрения длины волны (исследуя все диапазоны гамма-лучей вплоть до радиоволн), с точки зрения ясности (отправляемся в космос) и с точки зрения того, что вы измеряете (путем измерения не только света, но и космических частиц и гравитационных волн).
- И если вы хотите изучать мир частиц, вы всегда стремитесь измерить их свойства и поведение в новых сферах (т. е. при более высоких энергиях) и с большей точностью (т. е. при большем числе событий).) по сравнению со всем предыдущим.
Другими словами, две границы, которые нам нужно раздвинуть, если мы хотим понять Вселенную частиц лучше, чем мы понимаем их сегодня, - это исследовать Вселенную при более высоких энергиях и/или при более высоких энергиях. точность - с большим количеством столкновений - чем когда-либо прежде.
Событие-кандидат Хиггса в детекторе ATLAS на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН. Обратите внимание, что даже при четких сигнатурах и поперечных треках присутствует поток других частиц; это связано с тем, что протоны являются составными частицами, и с тем, что при каждом пересечении сгустка происходят десятки протон-протонных столкновений. Частицы, образующиеся в коллайдерах, имеют тенденцию разлетаться в случайных направлениях, так как эти столкновения происходят в системе центра импульса относительно детектора.
Можно перейти к более высоким энергиям, но единственные способы их достижения - это либо увеличение физических размеров ускорителя (что, в действительности, требует строительства нового ускорителя), либо увеличение мощности ваши магниты на изгиб. Исторически считалось, что «стоит» построить новый ускоритель, когда вы можете увеличить свою энергию в 7-10 или более раз, что представляет собой энергетический скачок, сделанный от Тэватрона Фермилаб к БАК ЦЕРН, и который является запланированный скачок от нынешнего LHC к предлагаемому круговому коллайдеру будущего (FCC), ведущей перспективе для следующего коллайдера частиц человечества. Важно спланировать это, но также понимать, что на его создание уйдет более десяти лет.
Тем временем, однако, БАК только что завершил большую часть огромной модернизации до того, что называется HL-LHC, или БАК высокой светимости. В астрофизике светимость относится к тому, насколько ярким является астрофизический источник; в физике элементарных частиц это то, насколько «светящимся» или богатым частицами является луч. Создавая больше «сгустков частиц», которые сталкиваются чаще, и увеличивая количество частиц, которые сталкиваются, когда два «сгустка» пересекаются друг с другом, нынешнее воплощение БАК уже побило небывалый рекорд светимости для коллайдеров частиц.
На самом деле, в течение следующих 10-15 лет БАК будет принимать примерно в 40-50 раз больше данных, чем в совокупности, с момента его первого запуска в 2008 году. Другими словами, данные БАК, которые мы собрали и проанализировали, составляют лишь около 2% от общего объема данных, которые БАК в конечном итоге будет накапливать. LHC измеряет общий объем собранных данных в так называемых «обратных фемтобарнах». К моменту закрытия операций в 2018 году он собрал 150 обратных фемтобарнов. После завершения работы HL-LHC будет собирать более 250 обратных фемтобарнов в год.
Серия модернизаций инфраструктуры, некоторые из которых уже произошли в 2022 году, а другие должны произойти в конце этого десятилетия, превратит LHC в HL-LHC: LHC высокой светимости. Он сможет ежегодно собирать почти вдвое больше данных, чем было получено за первое десятилетие жизни БАК, с 2008 по 2018 год.
С этими данными БАК сможет протестировать Стандартную модель беспрецедентным набором способов.
- Они смогут создать большее количество бозонов Хиггса, чем когда-либо прежде, проверяя, распадается ли он в соответствии с предсказаниями Стандартной модели с точностью лучше, чем ~ 1 часть к 100.
- Они смогут с беспрецедентной точностью проверить универсальность лептонного аромата, которая в настоящее время является одной из трех все еще действующих аномалий Стандартной модели (наряду с массой W-бозона и аномальным магнитным моментом мюона). Если это реальная проблема со Стандартной моделью, это, несомненно, подтолкнет ее к порогу «золотого стандарта» в 5 сигм.
- Они смогут проверить, соответствует ли полученное коллаборацией CDF измерение массы W-бозона их значению, используя гораздо больше (хотя и менее точных) данных, чем когда-либо смогла собрать Фермилаб.
- Они смогут проверить физику верхних и нижних кварков с большей точностью, чем когда-либо, либо подтверждая предсказания Стандартной модели, либо противореча ей.
И, возможно, самое интересное, они будут искать ключи к новой физике в местах, где мы могли бы этого не ожидать. Учитывая, что почти 98% всех данных, которые БАК в конечном итоге отправит на волю, отказываться от возможности найти что-то, о чем стоит написать домой, было бы излишне пораженческим и крайне преждевременным..
Масса W-бозона, измеренная различными коллаборациями, всегда была очень близка и в пределах ошибок к значению Стандартной модели. С последними результатами CDF это не только изменилось, но и расхождение стало невозможно игнорировать 7-сигма. Хотя это будет непростой задачей, у LHC с высокой светимостью будет шанс бросить вызов этому измерению.
Конечно, ожидания теоретиков относительно того, что может лежать за пределами Стандартной модели, оказались безнадежными, поскольку во всех сценариях, предпочитаемых сообществом, катастрофически не хватает каких-либо существенных доказательств. Но если детектив не может представить, какие улики должны быть, это не повод отказываться от дела.
Да, можно утверждать, что теоретики не делали ничего, кроме колющих ударов в темноте, и, похоже, до сих пор промахивались с каждым ударом.
Да, БАК еще не нашел новую фундаментальную частицу за пределами Стандартной модели, и вполне вероятно, что это не произойдет, даже после того, как будет собрано 100% данных.
И да, в Стандартной модели есть ряд пробелов, и современная физика элементарных частиц не может объяснить широкий спектр наблюдений, касающихся нашей Вселенной.
Но нельзя игнорировать успехи физики элементарных частиц, и это замечательный триумф Стандартной модели, когда все ее альтернативы терпят неудачу. В поисках следующего большого прорыва в отношении природы реальности нет причин ожидать, что плоды, которые мы ищем, будут на самых низко висящих ветвях. Но если нам не удастся взобраться на древо познания и увидеть, что мы открываем на всем пути к вершине, нам придется винить только себя. Игра еще не окончена, но мы можем быть уверены, что верный проигрышный ход - вообще не играть.