Шон Кэрролл - Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира

Стратегия поиска взаимодействий с частицами окружающей темной материи, при которой детекторы устанавливаются глубоко под землей, называется «методом прямого обнаружения». Это сегодня – передний край науки. В серии экспериментов некоторые из имевшихся моделей уже были забракованы. Зная массу бозона Хиггса, ученые сумеют связать предсказанные теоретические свойства вимпов со следами частиц, которые, возможно, увидят в этих экспериментах. При высочайшей чувствительности детекторов, к тому же все время быстро растущей, мы уже в течение ближайших пяти лет наверняка обнаружим темную материю. Однако очень может быть, что мы ее и не обнаружим – природа любит преподносить нам сюрпризы.

Не трудно догадаться, что если существует методика под названием «прямое обнаружение», должна быть и другая – «косвенное обнаружение». Идея ее заключается в том, чтобы подождать, пока вимпы из нашей или других галактик столкнутся друг с другом и аннигилируют. Среди частиц, рожденных в таком взаимодействии, будут гамма-лучи (фотоны высокой энергии), которые можно зарегистрировать с помощью спутниковых обсерваторий. В настоящее время гамма-лучевой космический телескоп НАСА «Ферми» сканирует небо в поисках гамма-лучей и накапливает базы данных разных высокоэнергетических явлений. И опять встает серьезная проблема выделения сигнала из шума. Астрономы упорно трудятся над тем, чтобы понять, какого рода гамма-лучевые события могут происходить при аннигиляции частиц темной материи, надеясь, что сумеют их выделить из множества обычных астрофизических процессов, в которых тоже возникает этот вид излучения. Кроме того, вероятно, темная материя способна аннигилировать с образованием бозона Хиггса (вместо того, чтобы превратиться в другие частицы, пройдя промежуточную стадию образования бозона Хиггса). Этот сценарий, естественно, уже окрестили «Хиггс в космосе».

Наконец, мы можем представить себе создание темной материи прямо здесь, дома – на БАКе. Если бозон Хиггса взаимодействует с темной материей, а ее частицы не слишком тяжелы, одним из способов распада бозона Хиггса будет распад непосредственно на вимпы. Мы, конечно, не увидим вимпов, так как они слабо взаимодействуют со всем, и любой родившийся вимп тотчас улетит из детектора, так же как это делает нейтрино, но мы можем просуммировать все наблюдаемые распады бозона Хиггса и сравнить их с ожидаемым количеством. Если мы получим меньше распадов, чем ожидалось, это будет означать, что время от времени бозон Хиггса распадается на невидимые частицы. Выяснение природы этих частиц, конечно, займет некоторое время.

Темная материя представляет собой веский аргумент в пользу того, что нам нужно строить физику за рамками Стандартной модели. В этом вопросе обнаруживается самое главное расхождение между теорией и экспериментом, а физики привыкли иметь дело именно с такими противоречиями. Есть также и другого рода аргументы в пользу того, что новая физика необходима – сама Стандартная модель требует доработки.

Чтобы определить какую-либо теорию вроде Стандартной модели, мы должны привести список полей, которые она описывает (поля кварков, лептонов, калибровочных бозонов, поле Хиггса), и набор различных чисел – параметров теории, включающих массы частиц, а также величины всех взаимодействия. Например, величина электромагнитного взаимодействия определяется числом, называемым «постоянной тонкой структуры», это знаменитая физическая константа, примерно равная 1/137. В начале XX века некоторые физики пытались придумать хитрые нумерологические формулы, объясняющие, почему она имеет именно такое значение. В наши дни мы просто принимаем это как данность и считаем ее частью Стандартной модели, хотя еще есть надежда, что более совершенная теория фундаментальных взаимодействий позволит нам вычислить ее из первых принципов.

Хотя все эти параметры мы, в принципе, можем пойти и измерить, физики до сих пор верят, что у физических характеристик есть «естественные» значения, поскольку измеряемые нами значения, как учит нас квантовая теория поля, представляют собой сложные комбинации различных процессов. По сути, чтобы получить окончательный ответ, нужно просуммировать вклады от разных видов виртуальных частиц. Когда мы измеряем заряд электрона по рассеянию фотона на нем, в процессе участвует не только электрон. Этот электрон – колебание поля, на которое накладываются квантовые флуктуации всех других полей, они складываются, и перед нами предстает то, что мы воспринимаем как «физический электрон». Каждая конфигурация виртуальных частиц вносит определенный вклад в окончательный ответ, и иногда их сумма бывает довольно большой.