Таємниці походження всесвіту

Розділ 17 Не в тому місці в потрібний час

Усі шість авторів статей, у яких було описано те, що найчастіше називають механізмом Хіггса (хоча після нещодавнього вручення Нобелівської премії, яку Хіггс розділив з Анґлером, дехто називає це БАХ-механізмом на честь Браута, Анґлера та Хіггса), підозрювали та сподівалися, що їхня робота сприятиме розумінню сильної сили в ядрах. У їхніх статтях усі обговорення можливих експериментальних випробувань їхніх ідей торкалися сильної взаємодії, зокрема запропонованих Сакураї важких векторних мезонів, що переносять цю силу. Вони сподівалися, що теорія сильної взаємодії, яка надасть пояснення ядерних мас та близькодійних сильних ядерних сил, перебуває буквально за рогом.

Підозрюю, що на додачу до загального захоплення сильною ядерною силою в ядерній фізиці вчені намагалися застосувати свої нові ідеї до цієї теорії ще з однієї причини. З огляду на радіус дії та потужність цієї сили маси нових янг-міллзівсько-подібних частинок, необхідних для перенесення сильної взаємодії, мали бути порівнювані з масами самих протонів та нейтронів, а також інших нових частинок, виявлених у прискорювачах. Оскільки експериментальне підтвердження є найвищою честю, якої можуть удостоїтися теоретики, для них було цілком природно зосередитися на розумінні фізики на цих досяжних енергетичних масштабах, на яких нові ідеї й нові частинки можна було швидко перевірити та дослідити в наявних машинах, тож слава, якщо не багатство, уже чекала за рогом. Натомість, як показав Швінґер, будь-яка теорія, що стосувалася нових частинок, пов’язаних зі слабкою силою, вимагала, щоб їхня маса була на кілька порядків вищою, аніж досяжна в тогочасних прискорювачах. Це, вочевидь, була проблема, час розгляду якої ще не настав, принаймні на думку більшості фізиків.

Одним із багатьох зачарованих фізикою сильної взаємодії був молодий теоретик Стівен Вайнберґ. Тут також не обійшлося без поетичності. Вайнберґ зростав у Нью-Йорку та ходив у Бронкську спеціалізовану середню школу, яку закінчив 1950 року. Одним із його однокласників був Шелдон Ґлешоу, і вони разом поїхали вчитися до Корнелльського університету, де впродовж першого семестру разом жили в тимчасовому гуртожитку, після чого їхні шляхи розійшлися. Тоді як Ґлешоу пішов у докторантуру до Гарварду, Вайнберґ поїхав у Копенгаген, де Ґлешоу пізніше працюватиме як постдокторант, а закінчував дисертацію в Принстоні. Обидва на початку 1960-х викладали в Берклі, звідки того ж 1966 року пішли до Гарварду, де Ґлешоу обійняв посаду професора, а Вайнберґ – тимчасову посаду на час відпустки з Берклі. Потім, 1967 року, Вайнберґ переїхав до МТІ, проте 1973 року повернувся до Гарварду, щоб обійняти посаду й кабінет, які звільнив колишній науковий керівник Ґлешоу Джуліан Швінґер. (Коли Вайнбер в’їхав у його кабінет, він знайшов у прикомірку пару черевиків, що їх явно залишив Швінґер як виклик молодшому науковцеві спробувати гідно зайняти його місце; Вайнберґ із цим упорався.) Коли 1982 року Вайнберґ пішов із Гарварду, його посаду й кабінет обійняв Ґлешоу, проте жодних черевиків у прикомірку не виявив.

Життєві шляхи цих двох науковців переплелися, мабуть, настільки щільно, як і шляхи інших науковців останнього часу, проте вони утворюють цікавий контраст. Геніальність Ґлешоу поєднується з майже дитячим ентузіазмом до науки. Його сила полягає не стільки в навичках детальних обрахунків, скільки в креативності та розумінні експериментальної панорами. Натомість Вайнберґ, гадаю, є найакадемічнішим та найсерйознішим (щодо фізики) фізиком із тих, кого я знаю. Хоча він має чудове іронічне почуття гумору, за кожний фізичний проект береться відповідально й із наміром досконало оволодіти відповідною ділянкою. Його посібники з фізики – справжні шедеври, а його науково-популярні роботи яскраві та сповнені мудрості. Затятий читач праць з історії давнього світу, Вайнберґ повною мірою передає історичні аспекти не лише своєї роботи, а й усього фізичного цеху.

Вайнберґів підхід до фізики нагадує паровий коток. Коли я працював у Гарварді, ми, постдокторанти, називали його «Великий Стів». Коли він працював над якоюсь проблемою, найкраще, що ви могли зробити, це забратися з дороги, адже інакше неосяжна потужність його інтелекту й енергії вас просто розчавила б. Ще коли я перед переїздом до Гарварду працював у МТІ, мій тодішній товариш Лоуренс Голл був докторантом у Гарварді. Лоуренс обганяв мене в плані роботи, оскільки випустився раніше. Він розповів мені, що зміг завершити роботу з Вайнберґом, яка стала його дисертацією, тільки тому, що Вайнберґ щойно здобув Нобелівську премію (то був 1979 рік), і спричинене цією обставиною сум’яття змусило його сповільнитися настільки, що Лоуренс зумів закінчити свої обрахунки до того, як Вайнберґ його випередив.

Однією з найбільших удач у моєму житті була нагода впродовж перших та основоположних років моєї кар’єри тісно співпрацювати з Ґлешоу та Вайнберґом. Після того, як Ґлешоу допоміг мені врятуватися від чорної діри математичної фізики, він став моїм колегою в Гарварді й на довгі роки по тому. Вайнберґ навчив мене більшості з того, що я знаю про фізику елементарних частинок. У МТІ не треба прослуховувати курси, лише складати іспити, тож, працюючи в МТІ над докторською дисертацією, я записався лише на кілька курсів із фізики. Проте однією з фішок навчання в МТІ була можливість прослуховувати курси в Гарварді. Упродовж докторантури я записувався чи відвідував як вільний слухач усі курси для докторантів, які викладав Вайнберґ, від квантової теорії поля й далі. Ґлешоу та Вайнберґ стали взаємодоповнювальними прикладами для наслідування в моїй власній кар’єрі. Я намагався якнайкраще відтворювати перейняті від них риси, розуміючи при цьому, що моє «найкраще» і поруч не стояло з їхнім рівнем.

Вайнберґ мав і має широкий та незмінний інтерес до тонкощів квантової теорії поля і, як і багато хто на початку 1960-х, намагався зосередитися на тому, як можна зрозуміти природу сильної взаємодії, використовуючи ідеї симетрії, які на той час значною мірою завдяки роботам Гелл-Манна беззаперечно домінували в галузі.

Вайнберґ також розмірковував стосовно можливого застосування ідей порушення симетрії до розуміння ядерних мас на основі роботи Намбу та, як і Хіггс, був вельми розчарований результатом, який одержав Ґолдстоун, що така фізика завжди супроводжуватиметься безмасовими частинками. Тож Вайнберґ, як майже завжди, коли цікавився якоюсь фізичною ідеєю, вирішив, що має довести це самому собі. Саме тому його наступна стаття в співавторстві з Ґолдстоуном та Саламом містила кілька незалежних доведень цієї теореми в контексті сильно взаємодійних частинок і полів. Вайнберґ був настільки пригнічений можливими поясненнями сильної взаємодії за допомогою спонтанного порушення симетрії, що як епіграф додав до чорнового варіанта статті відповідь короля Ліра Корделії: «З нічого і не вийде нічого. Ще подумай – і скажи».[10] (У книжці «Всесвіт із нічого» я роз’яснюю, чому не є великим прихильником цієї цитати. Квантова механіка розмиває межі між чимось і нічим.)

Далі Вайнберґ дізнався про результат, який одержав Хіггс (та інші), що можна позбутися небажаних безмасових бозонів Ґолдстоуна, які виникають через порушення симетрії, якщо порушувана симетрія є калібрувальною симетрією, оскільки в цьому випадку безмасові бозони Ґолдстоуна зникають, а натомість безмасові калібрувальні бозони стають масивними. Проте на Вайнберґа це особливого враження не справило, оскільки, як і багато інших фізиків, він розглядав це як цікаву формальність.

Мало того, на початку 1960-х років ідея, що піон багато в чому подібний до бозона Ґолдстоуна, була використана для виведення кількох формул наближеного обчислення певних швидкостей реакції сильної взаємодії. Через це заклик позбутися бозонів Ґолдстоуна в сильній взаємодії став іще менш привабливим. Упродовж цього періоду Вайнберґ витратив кілька років на дослідження цих ідей. Він розробив теорію, згідно з якою деякі симетрії, які вважали пов’язаними із сильною взаємодією, могли спонтанно порушуватися, а різноманітні сильно взаємодійні векторні калібрувальні частинки, які переносять сильну взаємодію, могли набувати масу за механізмом Хіггса. Проблема полягала в тому, що він не міг досягти згоди зі спостереженнями, не зіпсувавши початкову калібрувальну симетрію, яка боронила його теорію. Єдиною можливістю уникнути цього й зберегти потрібну йому початкову калібрувальну симетрію було досягти, щоб деякі векторні частинки стали масивними, а інші лишилися безмасовими. Проте це суперечило експериментам.

Тоді одного дня 1967 року дорогою до МТІ він побачив світло, як буквально, так і фігурально (я їздив разом зі Стівом у Бостоні, і хоча я вижив, щоб розповісти про це, я побачив, що, коли він думає про фізику, його абсолютно перестають цікавити масивні об’єкти на кшталт інших автівок). Вайнберґ раптом збагнув, що, можливо, він і всі інші застосовували правильні ідеї спонтанного порушення симетрії, проте не до тієї проблеми! У природі був іще один приклад, пов’язаний із двома різними векторними бозонами, одним безмасового типу, а другим – масивного. Безмасовий векторний бозон міг бути фотоном, а масивним (чи масивними) – масивний(-і) переносник(-и) слабкої взаємодії, чиє існування десятиліттям раніше припустив Швінґер.

Якщо це було так, тоді слабкі й електромагнітні взаємодії можна було описати об’єднаним набором калібрувальних теорій, одна з яких відповідала б електромагнітній взаємодії (яка залишалася непорушною), а друга – слабкій взаємодії, і порушення калібрувальної симетрії призводило б до виникнення кількох масивних переносників цієї взаємодії.

У цьому випадку світ, у якому ми живемо, виглядав би точнісінько як надпровідник.

Слабка взаємодія була б слабкою через просту випадковість, унаслідок якої основний стан полів у нашому поточному всесвіті порушує калібрувальну симетрію, яка в іншому разі визначала б симетрію слабкої взаємодії. Фотоноподібні калібрувальні частинки набули б великих мас, і, як очікував Швінґер, слабка взаємодія стала б настільки близькодійною, що практично згасла б навіть на масштабах довжин протонів і нейтронів. Це також пояснило б, чому нейтронний розпад відбувається настільки повільно.

Масивні частинки, які переносять слабку взаємодію, виглядали б для нас так само, як виглядали б фотони для гіпотетичних фізиків, які живуть усередині надпровідника. А отже, різниця між електромагнетизмом і слабкою взаємодією була б настільки ж ілюзорною, як і різниця між силами, напрямленими вздовж крижини, і напрямленими перпендикулярно до неї з точки зору фізиків, які живуть на крижаних кристалах на віконному склі. Той факт, що у світі нашого з вами існування одна калібрувальна симетрія порушується, а друга – ні, стає простою випадковістю.

Вайнберґ прагнув уникнути роздумів про сильно взаємодійні частинки, оскільки ситуація з ними залишалася заплутаною. Тож він вирішив розмірковувати про частинки, які взаємодіють винятково шляхом слабкої чи електромагнітної взаємодії, а саме електрони й нейтрино. Оскільки слабка взаємодія перетворює електрони на нейтрино, йому довелося уявити собі набір заряджених векторних фотоноподібних частинок, які зумовлювали б таке перетворення. Ці частинки є нічим іншим, як зарядженими векторними бозонами, що їх передбачив Швінґер, які традиційно називаються бозонами W+ та W– (від англійського «weak», тобто «слабкий»).

Оскільки внаслідок слабкої взаємодії змішуються лише ліворукі електрони й нейтрино, один тип калібрувальної симетрії визначатиме винятково взаємодії ліворуких частинок із W-частинками. Але оскільки з фотонами взаємодіють як ліворукі, так і праворукі електрони, у це об’єднання треба якимось чином інкорпорувати калібрувальну симетрію електромагнетизму, щоб ліворукі електрони могли взаємодіяти і з фотонами, і з новими зарядженими W-бозонами, тоді як праворукі електрони взаємодіяли б лише з фотонами, проте не з W-частинками.

Математично єдиний спосіб це зробити, як виявив Шелдон Ґлешоу, коли шістьма роками раніше розмірковував про електрослабке об’єднання, полягав у введенні додаткового нейтрального слабкого бозона, з яким могли б взаємодіяти право-й ліворукі електрони на додачу до взаємодії з фотонами. Вайнберґ позначив цей новий бозон Z (від англійського «zero», тобто «нуль»).

Також у природі існувало б нове поле, яке формувало б у порожньому просторі конденсат, спонтанно порушуючи тим самим симетрії, що визначають слабку взаємодію. Елементарною частинкою, пов’язаною з цим полем, був би масивний бозон Хіггса, тоді як решта потенційних бозонів Ґолдстоуна з’їдалися б W– та Z-бозонами, які за рахунок цього ставали б масивними завдяки механізму, що його вперше описав Хіггс. У результаті цього залишався б єдиний безмасовий калібрувальний бозон – фотон.

Проте це ще не все. Завдяки калібрувальній симетрії, яку ввів Вайнберґ, його нова частинка Хіггса також взаємодіяла б з електронами, а формування конденсату привело б до набуття електронами, а також W– та Z-частинками маси. Таким чином, ця модель не лише пояснила б маси калібрувальних частинок, які переносять слабку силу, а й визначила б величину цієї сили. Це саме поле Хіггса також надало б маси електронам.

У цій моделі були наявні всі інгредієнти, необхідні для об’єднання слабкої та електромагнітної взаємодії. Мало того, відштовхуючись від калібрувальної теорії Янга – Міллза з безмасовими до порушення симетрії калібрувальними бозонами, була надія, що аналогічні видатні властивості симетрії калібрувальних теорій, уперше використані у квантовій електродинаміці, також дадуть цій теорії можливість досягти скінченних прийнятних результатів. Хоча фундаментальна теорія з масивними фотоноподібними частинками вочевидь не була позбавлена патологій, була надія, що, якщо маси з’являються винятково внаслідок порушення симетрії, ці патології не виникнуть. Проте на той час це була лише надія.

Очевидно, що в реалістичній моделі частинка Хіггса зв’язувалася б не лише з електроном, а й з іншими задіяними в слабкій взаємодії частинками. За відсутності конденсату Хіггса всі ці частинки: протони чи частинки, з яких вони складаються, мюони тощо – були б строго безмасовими. Кожен аспект, відповідальний за наше існування, узагалі за існування масивних частинок, з яких ми складаємося, постає наслідком простої випадковості природи – формування в нашому всесвіті специфічного конденсату Хіггса. Характерні риси, які роблять наш світ тим, чим він є, – галактики, зорі, планети, люди й взаємодії між усім цим, – суттєво відрізнялися б, якби такий конденсат ніколи не сформувався.

Або сформувався б якось інакше.

Так само, як світ, доступний чуттям уявних фізиків на крижаному кристалі на тому віконному склі холодного зимового ранку, був би зовсім іншим, якби цей кристал зорієнтувався в іншому напрямку, і риси нашого світу, які уможливлюють наше існування, критично залежать від природи цього конденсату Хіггса. Відповідно, те, що може здатися надзвичайною особливістю характеристик частинок і полів, з яких складається світ, у якому ми живемо, насправді не більш особливе, сплановане чи значуще за випадкову орієнтацію гребеня того крижаного кристала, хай би яким особливим значенням не наділяли його істоти, які живуть на тому кристалі.

І ще один, останній шматочок поезії. Унікальна янг-міллзівська модель, до якої 1967 року прийшов Вайнберґ і на яку рік по тому натрапив Абдус Салам, була точно тією самою моделлю, яку шістьма роками раніше запропонував давній шкільний товариш Вайнберґа Шелдон Ґлешоу у відповідь на кинутий Швінґером виклик виявити симетрію, яка могла б об’єднати слабку й електромагнітну взаємодії. Жоден інший вибір не зміг би математично відтворити те, що ми нині спостерігаємо у світі. Упродовж цих шести років модель Ґлешоу переважно ігнорували, оскільки на той час не було відомо жодного механізму, який надав би маси слабким бозонам. Але тепер цей механізм, механізм Хіггса, з’явився.

Вайнберґ та Ґлешоу, чиї життєві шляхи перепліталися із самого дитинства, пізніше разом із Саламом отримають Нобелівську премію за абсолютно незалежні відкриття найвидатнішого об’єднання у фізичній теорії відтоді, як Максвелл об’єднав електрику й магнетизм, а Ейнштейн – простір і час.

Розділ 18 Імла розсіюється

Можна було б очікувати, що появу статті Вайнберґа фізики з усіх куточків світу зустрінуть вечірками з феєрверками. Проте впродовж трьох років після публікації теорії Вайнберґа жоден фізик, навіть сам Вайнберґ, не знайшов приводу послатися на цю статтю, яка нині є однією з найбільш цитованих праць в усій фізиці елементарних частинок. Якщо й було зроблене видатне відкриття властивостей природи, цього ніхто не помітив.

Зрештою, максвеллівське об’єднання зробило чудове передбачення, що світло є електромагнітною хвилею, швидкість якої можна обрахувати неемпірично, і – вуаля! – передбачена швидкість світла збіглася з виміряною експериментально. Ейнштейнове об’єднання простору й часу передбачило вповільнення годинників для рухомих спостерігачів, і – вуаля! – вони дійсно сповільнюються саме так, як було передбачено. 1967 року об’єднання слабкої й електромагнітної взаємодій Ґлешоу – Вайнберґа – Салама передбачило існування трьох нових векторних бозонів, майже в сотню разів важчих за будь-які зафіксовані на той момент частинки. Вона також передбачила нові взаємодії між електронами, нейтрино й матерією, зумовлені свіжопередбаченою Z-частинкою, яку мало того, що ніхто ще ніколи не бачив, так ще й із деяких експериментів випливало, що вона не існує. Вона також вимагала існування нового й ще не виявленого масивного фундаментального скалярного бозона, частинки Хіггса, тоді як жодних фундаментальних скалярних частинок досі в природі не траплялося. І, нарешті, ніхто не знав, чи має вона сенс як квантова теорія.

Тож хіба варто дивуватися, що ця ідея одразу ж не оволоділа масами? Утім, упродовж десятиліття все зміниться, і наслідком цього стане найпродуктивніший у теоретичному плані період в історії фізики елементарних частинок із часів відкриття квантової механіки. І хоча процес почався з калібрувальної теорії слабкої взаємодії, кінцевий результат виявився набагато величнішим.

Першу тріщину в греблі на шляху течії прогресу 1971 року пробила робота, що вельми символічно, голландського докторанта Герарда ‘т Гофта. Я завжди пам’ятаю, як пишеться його ім’я, оскільки мій надзвичайно блискучий та дотепний колишній колега з Гарварду, покійний Сідні Коулман, казав, що, якби Герард носив запонки з монограмою, на них мав би бути апостроф. До 1971 року багато хто з найвидатніших фізиків-теоретиків світу намагався з’ясувати, чи нескінченності, які є справжнім бичем більшості квантових теорій поля, зникатимуть у теоріях спонтанно порушеної калібрувальної симетрії так само, як вони зникають у їхніх непорушених братах. Проте відповідь повсякчас їх уникала. Тим дивовижніше, що доказ, який не знайшли інші, виявив цей молодий докторант, котрий працював під керівництвом досвідченого професіонала Мартінуса Велтмана. Дуже часто, ознайомившись із новим результатом, ми, фізики, можемо проробити всі деталі та уявити, яким чином могли б відкрити це самі. Таке враження, що багато здогадів ‘т Гофта (а їх було багацько, і майже всі нові ідеї 1970-х років тим чи іншим чином походять із його теоретичних винаходів) черпалися ним із якогось прихованого резервуару інтуїції.

Іншою видатною рисою Герарда є його неабияка м’якість, сором’язливість та скромність. Від людини, яка стала знаменитістю у своїй галузі ще студентом, логічно було б очікувати якогось відчуття привілейованості. Проте з нашої найпершої зустрічі, коли я був іще скромним докторантом, Герард ставився до мене як до цікавого друга, і я радий, що можу сказати, що ці стосунки тривають і досі. Зустрічаючись із молодими студентами, які подеколи виглядають сором’язливими чи наляканими, я завжди намагаюся пригадати його манеру та наслідувати Герардову розкуту щедрість духу.

Його науковий керівник Мартінус Велтман, якого часто кличуть Тіні, відрізнявся від нього настільки, наскільки це взагалі можливо. Не те щоб Тіні не був приємним співрозмовником, це не так. Проте щоразу, як ми починали дискутувати, він завжди одразу ж чітко давав мені зрозуміти, що, що б я не казав, я розуміюся на цьому не зовсім добре. Я завжди із задоволенням приймав цей виклик.

Важливо зазначити, що ‘т Гофт ніколи б не зайнявся цією проблемою, якби нею не був одержимий Велтман, навіть попри те, що більшість інших здалися. Багато фахівців із цієї галузі вважали відверто наївною саму ідею можливості врешті-решт поширити методи, які розробили Фейнман та інші, для приборкання квантової електродинаміки, на спроби зрозуміти складніші теорії на кшталт теорії спонтанного порушення симетрії Янга – Міллза. Проте Велтман не полишив цей проект і, що було дуже мудро з його боку, узяв собі в помічники докторанта, який за сумісництвом був генієм.

На осягнення ідей ‘т Гофта й Велтмана й повсюдне взяття на озброєння розроблених першим із цих двох нових методів пішло чимало часу, проте вже десь за рік фізики дійшли згоди, що теорія, яку запропонував спочатку Вайнберґ, а пізніше Салам, має сенс. Кількість цитувань статті Вайнберґа раптом почала зростати експоненційно. Проте мати сенс і мати рацію – це різні речі. Чи дійсно природа послуговується цією авторства Ґлешоу, Вайнберґа й Салама конкретною теорією?

Це залишалося ключовим відкритим питанням, і досить тривалий час усе виглядало так, наче відповідь на нього – «ні».

Суттєвим доповненням, якого вимагала ця теорія на додачу до заряджених частинок, що її запропонував роком раніше Швінґер та інші, необхідних для перетворення нейтронів на протони, а електронів – на нейтрино, було існування нової нейтральної частинки Z. Це означало існування нового різновиду слабкої взаємодії не лише для електронів і нейтрино, а й для протонів із нейтронами, який переноситься за рахунок обміну новими нейтральними частинками. У цьому разі, як і в електромагнетизмі, ідентичність взаємодійних частинок не змінюється. Такі взаємодії стали відомі як взаємодії нейтральних струмів, і очевидним способом перевірити цю теорію було їх пошукати. Найкращим місцем для пошуку були взаємодії єдиних у природі частинок, які відчувають лише слабку взаємодію, тобто нейтрино.

Можливо, ви пригадуєте, що передбачення таких нейтральних струмів було однією з причин, чому не прижилася ідея Ґлешоу зразка 1961 року. Проте модель Ґлешоу не була повною теорією. Маси частинок були просто вручну підставлені в рівняння, через що не було можливості керувати квантовими корегуваннями. Проте коли Вайнберґ та Салам запропонували свою модель електрослабкого об’єднання, усі елементи, які уможливлювали детальні передбачення, уже були доступні. Так було передбачено масу Z-частинки і, як показав ‘т Гофт, можна було надійним чином обрахувати всі квантові корегування, точнісінько як у квантовій електродинаміці.

Це було одночасно добре й погано, оскільки не залишалося простору для пояснення будь-яких можливих розходжень зі спостереженнями. А 1967 року такі розбіжності начебто були. У високоенергетичних зіткненнях нейтрино з протонами не спостерігалося жодних нейтральних струмів, причому верхня межа була встановлена на рівні приблизно 10 % від частоти, спостережуваної у випадку більш знайомих зарядозмінюючих слабких взаємодій між нейтрино й протонами на кшталт нейтронного розпаду. Справи виглядали кепсько, і більшість фізиків вирішили, що слабких нейтральних струмів не існує.

Вайнберґ мав шкурний інтерес у цьому, і 1971 року він обґрунтовано доводив, що простір для маневру ще є. Проте переважна більшість інших членів спільноти його поглядів не поділяла.

На початку 1970-х років у Женеві, у Європейській організації з ядерних досліджень (ЦЕРН), було проведено нові експерименти з використанням тамтешнього протонного прискорювача, у якому високоенергетичні протони врізалися в довгу мішень. Більшість породжених у результаті зіткнення частинок поглиналися мішенню, проте нейтрино вилітали з її протилежного кінця, оскільки їхні взаємодії настільки слабкі, що вони здатні пройти крізь мішень непоглинутими. Далі одержаний високоенергетичний нейтринний пучок бив у розташований на його шляху детектор, здатний реєструвати кілька подій, у ході яких нейтрино могли взаємодіяти з матеріалом детектора.

Було збудовано новий велетенський детектор, названий «Ґарґамелла» на честь велетки, матері Ґарґантюа, персонажа творів французького письменника Рабле. Бульбашкова камера п’ять на два метри була наповнена перегрітою рідиною, у якій у результаті проходження крізь неї зарядженої частинки формувалися траси з бульбашок; це було схоже на спостереження інверсійного сліду літака, який летить настільки високо, що його самого не видно.

Що цікаво, коли 1968 року експериментатори, які збудували «Ґарґамеллу», зустрілися задля обговорення планів експериментів із нейтрино, ідея пошуку нейтральних струмів навіть не згадувалася – яскрава ознака того, як багато фізиків тоді вважали це питання закритим. Значно більше їх цікавила можливість піти стопами нещодавніх захопливих експериментів у Стенфордському центрі лінійного прискорювача (СЦЛП), де високоенергетичні електрони використовували як зонди для дослідження структури протонів. Використання зондів для протонів нейтрино могло дати чистіші результати вимірювань, адже нейтрино незаряджені.

Проте 1972 року, після публікації результатів ‘т Гофта та Велтмана, експериментатори почали серйозно ставитися до опису слабкої взаємодії за допомогою калібрувальної теорії, зокрема у варіанті Ґлешоу – Вайнберґа – Салама. Це означало пошук нейтральних струмів. У принципі в рамках колаборації «Ґарґамелла» це було можливо, хоча вона на це не була розрахована.

Більшість високоенергетичних нейтрино в пучку взаємодіятимуть із протонами в мішені, перетворюючись на мюони – важчих напарників електронів. Мюони виходитимуть із мішені, утворюючи довгий зарядженочастинковий трек аж до самого краю детектора. Протони перетворюватимуться на нейтрони, які самі по собі треків не утворюватимуть, проте стикатимуться з ядрами, породжуючи нетривалу зливу заряджених частинок, які залишать треки. Таким чином, експеримент було розроблено так, щоб зафіксувати мюонні треки й побічні зливи заряджених частинок, які виникатимуть як окремі сигнали тієї самої слабкої взаємодії.

Проте подеколи нейтрино взаємодіятиме з речовиною поза детектором, породжуючи нейтрон, який може відбитися назад у детектор і вступити у взаємодію там. Такі події складатимуться з однієї сильно взаємодійної зливи частинок, породжених зіткненням нейтрона, без супутнього мюонного треку.

Коли «Ґарґамелла» почала шукати події нейтрального струму, ці ізольовані зливи заряджених частинок без супутнього мюона стали просто сигналами, на яких мали зосередитися науковці. У рамках події нейтрального струму нейтрино, яке взаємодіє з нейтроном чи протоном у детекторі, не перетворюється на заряджений мюон, а просто відскакує та полишає детектор непоміченим. Спостережуваною буде лише віддача у вигляді ядерної зливи – така ж сигнатура, як у випадку більш звичних нейтринних взаємодій поза детектором, у яких зароджуються нейтрони, які відскакують назад у детектор та породжують ядерну зливу.

Таким чином, якщо завданням експерименту було впевнене засікання подій нейтрального струму, основною складністю було відрізнити події, спричинені нейтрино, від подій, спричинених нейтронами (ця сама проблема становила основну складність для експериментаторів, які шукали які-небудь слабко взаємодійні частинки, зокрема гіпотетичні частинки темної матерії, які нині розшукують у підземних детекторах по всьому світу).

На початку 1973 року було зафіксовано одиночний зворотний електрон за відсутності в детекторі будь-яких інших зарядженочастинкових треків. Це могло бути наслідком передбачених більш рідкісних нейтральнострумових зіткнень між нейтрино й електронами замість протонів чи нейтронів. Проте зазвичай однієї події замало для впевненого ствердження про нове відкриття у фізиці елементарних частинок. Одначе це давало надію, і до березня 1973 року ретельний аналіз нейтронних задників та спостережуваних ізольованих злив частинок почав наводити на думку, що слабкі нейтральнострумові взаємодії справді існують. Хай там як, та лише станом на липень 1973 року дослідники з ЦЕРН виконали достатню кількість перевірок, щоб достатньо впевнено стверджувати про виявлення нейтральних струмів, що вони й зробили в серпні на конференції в Бонні.

Тут наша оповідь могла б добігти свого кінця, проте, на жаль, невдовзі після цього інша група науковців, яка шукала нейтральні струми, повторно перевірила своє обладнання та виявила, що одержаний раніше сигнал нейтральних струмів зник. Це викликало значне збентеження та скептицизм у фізичній спільноті, і існування нейтральних струмів знову було поставлено під сумнів. Урешті-решт члени проекту «Ґарґамелла» почали з чистого аркуша, протестували свій детектор безпосередньо пучком протонів та зібрали значно більше даних. На конференції, яка відбувалася майже рік по тому, у червні 1974-го, команда «Ґарґамелли» представила непереборні докази існування потрібного сигналу. Водночас група-конкурент виявила причину своєї помилки та підтвердила результат «Ґарґамелли». Ґлешоу, Вайнберґа й Салама було реабілітовано.

Нейтронні струми було одержано, і здавалося, що видатне об’єднання слабкої та електромагнітної взаємодій вже у наших руках. Проте дві проблеми й досі залишалися невирішеними.

Існування нейтральних струмів у розсіюваннях нейтрино підтверджувало ідею існування Z-частинки, проте не гарантувало, що реальна слабка взаємодія ідентична варіанту Ґлешоу, Вайнберґа й Салама, за яким слабка й електромагнітна взаємодії були об’єднані. Дослідження цього питання вимагало експерименту з використанням частинки, яка брала участь і в слабкій, і в електромагнітній взаємодії. Для цього ідеально підходив електрон, оскільки він здатен брати участь лише в цих двох взаємодіях.

Коли електрони взаємодіють з іншими зарядами за рахунок електромагнітного тяжіння, ліво-та праворукі електрони поводяться ідентично. Проте теорія Ґлешоу – Вайнберґа – Салама вимагала, щоб для ліво-та праворуких електронів відбувалася по-різному. З цього випливало, що ретельне вимірювання розсіювання поляризованих електронів – електронів, від самого початку переведених до ліво-чи праворукого стану за допомогою магнітних полів – на різних мішенях має виявити порушення ліво-правої симетрії, проте не таке величезне, як асиметрія, яка спостерігається в розсіюваннях нейтрино, які є суто ліворукими. Тоді ступінь порушення симетрії в електронних розсіюваннях, якщо таке буде, відображатиме міру змішування слабкої взаємодії та електромагнетизму в рамках об’єднаної теорії.

Якщо вже на те пішло, ідею перевірки наявності такої інтерференції за допомогою розсіювання електронів запропонував ще аж 1958 року видатний радянський фізик Яків Борисович Зельдович. Проте мине двадцять років, перш ніж удасться провести достатньо чутливі експерименти. А щодо відкриття нейтрального струму, то тут дорога до успіху була вкрита вибоїнами та містила купу поворотів не туди.

Однією з причин, чому на перевірку цієї ідеї пішло настільки багато часу, є те, що слабка взаємодія слабка. Через домінування електромагнітної взаємодії електронів із матерією, ступінь ліво-правої асиметрії, передбаченої з огляду на можливий обмін Z-частинкою, був малим, менш ніж одна десятитисячна. Для перевірки наявності такої малої асиметрії пучок має бути одночасно інтенсивним та з чітко визначеною початковою поляризацією.

Найкращим місцем для проведення цих експериментів був Стенфордський лінійний прискорювач – збудований 1962 року електронний лінійний прискорювач завдовжки дві милі, який був найдовшою та найпрямішою будівлею з коли-небудь збудованих. Поляризовані пучки з’явилися 1970 року, проте лише 1978 року було розроблено та здійснено експеримент із достатньою чутливістю для пошуку слабко-електромагнітної інтерференції в розсіюванні електронів.

Тоді як успішне спостереження нейтральних струмів 1974 року означало, що теорія Ґлешоу – Вайнберґа – Салама почала здобувати широке визнання серед фізиків-теоретиків, експеримент у СЦЛП 1978 року був настільки важливим через те, що 1977-го було проведено два атомнофізичні експерименти, результати яких, якщо вони були правильні, упевнено перекреслювали цю теорію.

Досі в нашій оповіді ключову роль відігравало світло, освітлюючи (даруйте за каламбур) наше розуміння не лише електрики й магнетизму, а й простору, часу та, урешті-решт, квантового світу. Так і цього разу стало зрозуміло, що світло може допомогти в пошуках можливого електрослабкого об’єднання.

Першим видатним успіхом квантової електродинаміки стало передбачення спектра водню, а зрештою й інших атомів. Проте якщо електрони відчуватимуть ще й слабку силу, виникне невеличка додаткова сила між електронами та ядрами, яка змінить, хай ледве-ледве, характеристики їхніх атомних орбіт. Здебільшого ці зміни неспостережувані, оскільки слабкі ефекти губляться на тлі електромагнітних. Проте слабкі взаємодії порушують парність, тож та сама слабко-електромагнітна нейтральнострумова інтерференція, досліджувана за допомогою пучків поляризованих електронів, може викликати в атомах новітні ефекти, які зникали б, якби єдиною дієвою силою був електромагнетизм.

Зокрема, у випадку важких атомів теорія Ґлешоу – Вайнберґа – Салама передбачала, що якщо пропустити поляризоване світло крізь газ з атомів, то напрямок поляризації світла повернеться на приблизно одну мільйонну градуса через ефекти, які порушують парність нейтрального струму в атомах, крізь які це світло проходить.

1977 року в «Physical Review Letters» одна за одною вийшли друком статті, присвячені результатам двох незалежних атомнофізичних експериментів, проведених у Сіетлі та Оксфорді. Їхні результати жахали. Жодної оптичної ротації не спостерігали на рівні, удесятеро меншому за передбачений електрослабкою теорією. Якби такий результат було отримано лише в одному експерименті, ситуація була б менш однозначною. Проте однаковий результат двох незалежних експериментів із використанням незалежних методів справляв враження однозначності. Схоже, теорію було спростовано.

Утім, експеримент СЦЛП, який почався трьома роками раніше, був у самому розпалі, і оскільки всі приготування до його проведення вже стартували, було затверджено, що збір даних розпочнеться на початку 1978 року. З огляду на попередні нульові результати атомнофізичних експериментів Стенфордська колаборація доповнила експеримент кількома приблудами, щоб у разі, якщо ніякого ефекту виявлено не буде, бути певними, що, якби такий ефект мав місце, вони могли б його виявити.

Через два місяці після початку експерименту почали з’являтися чіткі ознаки порушення парності, і станом на червень 1978 року науковці оголосили про одержання ненульового результату, який узгоджувався з передбаченнями моделі Ґлешоу – Вайнберґа – Салама й базувався на вимірюванні розсіювання нейтрино під дією нейтрального струму, яке слугувало мірою сили Z-взаємодії.

Проте ще лишалися деякі відкриті питання, у першу чергу пов’язані з явною розбіжністю з результатами експериментів у Сіетлі та Оксфорді. Під час обговорення цієї теми в Калтеху Річард Фейнман у своїй звичній манері зосередився на ключовому спірному експериментальному питанні та поцікавився, чи перевіряли експериментатори зі СЦЛП, що їхній детектор однаково гарно реагує як на ліво-, так і на праворукі електрони. Вони цього не робили, проте з теоретичних міркувань не мали підстав очікувати різної поведінки детекторів у випадку різних поляризацій (вісім років по тому, після трагічного вибуху «Челленджера», Фейнман славетно докопається до суті іншої складної проблеми, ефектно продемонструвавши наслідки втрати еластичності гумовим кільцевим ущільненням членам комісії з розслідування катастрофи та телеглядачам, які дивилися пряму трансляцію засідання).

Упродовж осені група СЦЛП відшліфувала свій експеримент, щоб виключити як це, так і інші поставлені питання, і наприкінці осені відзвітувала про остаточний результат, який узгоджувався з передбаченням Ґлешоу – Вайнберґа – Салама з рівнем невизначеності, меншим за 10 %. Електрослабке об’єднання було реабілітоване!

На сьогодні мені невідомо, чи має хтось гарне пояснення причин одержання хибних результатів початкових атомнофізичних експериментів (результати подальших експериментів відповідали теорії Ґлешоу – Вайнберґа – Салама), окрім того, що проводити експерименти й теоретично інтерпретувати їхні результати – складна справа.

Проте лише за рік, у жовтні 1979-го, Шелдон Ґлешоу, Абдус Салам і Стівен Вайнберґ були нагороджені Нобелівською премією за їхню вже експериментально підтверджену електрослабку теорію, яка об’єднувала дві з чотирьох сил природи на основі однієї фундаментальної симетрії – калібрувальної інваріантності. Якби не незриме порушення калібрувальної симетрії, слабкі й електромагнітні взаємодії виглядали б ідентично. Проте в цьому випадку всі частинки, з яких ми складаємося, не мали б маси, і нам було б байдуже, оскільки нас не існувало б…

Проте це ще не кінець оповіді. Дві з чотирьох – це лише дві з чотирьох. Сильна взаємодія, від якої відштовхувалася значна частина робіт, що привели до електрослабкого об’єднання, досі вперто опиралася будь-яким спробам її пояснити, навіть попри оформлення електрослабкої теорії. Жодні пояснення сильної ядерної сили через спонтанно порушувані калібрувальні симетрії не витримали випробування експериментом.

Тож навіть попри те, що науковці-філософи ХХ століття, шкутильгаючи, здолали заплутаний та кволо освітлений шлях і вибралися з печери тіней, щоби поглянути на приховану натомість під поверхнею реальність, посталому перед ними чудовому гобелену природи бракувало ще однієї сили, необхідної для розуміння фундаментальної структури матерії.

Розділ 19 Нарешті вільні

Довга дорога, що вела до електрослабкого об’єднання, стала втіленням вищого пілотажу інтелектуальної завзятості та майстерності. Проте це також утілення вищого пілотажу під час руху не вгору, а в об’їзд гори. Майже всі основні ідеї, що їх запропонували Янг, Міллз, Юкава, Хіггс та інші, які привели до цієї теорії, були розроблені в ході невдалих на вигляд спроб зрозуміти найпотужнішу силу в природі – сильну ядерну силу. Згадаймо, що ця сила та її провісники, сильно взаємодійні частинки, настільки замучили фізиків, що в 1960-х роках багато з них втратили всіляку надію коли-небудь пояснити її за допомогою методів квантової теорії поля, які наразі були настільки вдало застосовані для опису як електромагнетизму, так і слабкої взаємодії.

Був один успіх, пов’язаний передусім із версією Гелл-Манна та Цвейґа, що всі спостережувані сильно взаємодійні частинки, зокрема протон та нейтрон, можна представити складеними з більш фундаментальних об’єктів, які, як згадувалося вище, Гелл-Манн назвав кварками. Усі відомі сильно взаємодійні частинки, а також невиявлені на той час частинки, можна було класифікувати, виходячи з того, що вони складаються з кварків. Мало того, аргументи симетрії, які, зокрема, підказали Гелл-Манну ідею його моделі, слугували базисом для осмислення заплутаних натомість даних, пов’язаних із реакціями сильно взаємодійної матерії.

Утім, Гелл-Манн допускав, що його схема може бути лише математичною конструкцією, корисною для класифікації, і що кварки можуть не бути відображенням реальних частинок. Зрештою, ані в прискорювачах, ані в експериментах із космічними променями ніхто ніколи не спостерігав вільних кварків. Можливо, на нього справила вплив популярна ідея, що квантова теорія поля, а отже, і поняття власне елементарних частинок на ядерних масштабах ламалися. Навіть 1972 року Гелл-Манн проголошував: «Дозвольте на закінчення підкреслити наш основний пункт, що може бути цілком можливо сконструювати явну теорію адронів на основі кварків і якогось різновиду клею… Оскільки сутності, які слугують нам відправною точкою, вигадані, нема ніякої потреби вступати в конфлікт із точкою зору… бутстрап-/моделі/».

Розглядаючи в цьому контексті спроби описати сильну взаємодію за допомогою калібрувальної квантової теорії поля Янга – Міллза з реальними калібрувальними частинками як переносниками цієї сили виглядають недоречними. Окрім того, це здавалося неможливим. Усе виглядало так, що сильна сила діє винятково на ядерних масштабах, тож, якщо описувати її калібрувальною теорією, фотоноподібні частинки-переносники цієї сили мають бути важкими. Проте не було жодних свідчень роботи механізму Хіггса з масивними сильно взаємодійними БХ-подібними частинками, які можна було б легко зафіксувати в ході експериментів. На додачу до всього цього ця сила була банально настільки сильною, що, навіть якби її вдалося описати за допомогою калібрувальної теорії, усі методи квантової теорії поля, розроблені для виведення передбачень, які настільки гарно себе показали в роботі з іншими силами, у разі застосування до сильної взаємодії зламалися б. Ось чому в процитованому вислові Гелл-Манна згадується «бутстрап» – дзеноподібна ідея, що жодні частинки не є істинно фундаментальними. Якщо ваша ласка, тут може бути звук відсутніх аплодисментів.

Щоразу, як теорія заходить у подібний глухий кут, дуже корисно мати провідником експеримент, і саме це сталося 1968 року. Низка визначальних експериментів, що їх провели Генрі Кендалл, Джеррі Фрідман та Річард Тейлор із використанням новозбудованого Стенфордського лінійного прискорювача для розсіювання високоенергетичних електронів на протонах та нейтронах, виявили дещо надзвичайне. Судячи з усього, протони та нейтрони дійсно мали якусь субструктуру, проте дуже дивну. Зіткнення мали абсолютно неочікувані властивості. Чи був цей сигнал зумовлений кварками?

На допомогу швидко прийшли теоретики. Джеймс Бьйоркен продемонстрував, що феномен під назвою «скейлінг», який зафіксували експериментатори, можна пояснити, якщо протони й нейтрони складаються з практично невзаємодійних точкоподібних частинок. Далі Фейнман проінтерпретував ці об’єкти як реальні частинки, які він назвав партонами, та висловив припущення, що вони є ідентичними кваркам Гелл-Манна.

Проте така картина мала велику проблему. Якщо всі сильно взаємодійні частинки складаються з кварків, тоді й самі кварки мають бути сильно взаємодійними. Чого ж усе виглядає так, що всередині протонів і нейтронів вони майже вільні й не взаємодіють сильно один з одним?

Мало того, 1965 року Намбу, Хан Му-Янг та Оскар Ґрінберґ переконливо показали, що, якщо сильно взаємодійні частинки складаються з кварків і є ферміонами, як електрони, тоді Гелл-Маннова класифікація відомих частинок як різноманітних комбінацій кварків буде послідовною лише в тому випадку, якщо кварки мають якийсь новий різновид внутрішнього заряду – новий янг-міллзівський калібрувальний заряд. З цього випливало, що вони сильно взаємодіють за допомогою нового набору калібрувальних бозонів, які тоді дістали назву «глюони». Але де були глюони, а де кварки й чому не було жодних свідчень сильної взаємодії кварків усередині протонів і нейтронів, якщо вони дійсно ідентичні партонам Фейнмана?

З кварками була пов’язана ще одна проблема: протони й нейтрони беруть участь у слабких взаємодіях, і якщо ці частинки складаються з кварків, тоді кварки повинні брати участь не лише в сильних, а й у слабких взаємодіях. Гелл-Манн виокремлював три різні типи кварків, які охоплювали всі відомі на той час сильно взаємодійні частинки. Мезони могли складатися з пар «кварк – антикварк». Протони й нейтрони могли складатися з трьох частково заряджених кварків, які Гелл-Манн назвав верхнім (u-, від англійського «up», тобто «верх») та нижнім (d-, від англійського «down», тобто «низ») кварками. Протони складалися з двох верхніх і одного нижнього кварка, а нейтрони – з двох нижніх і одного верхнього. На додачу до цих двох типів кварків, для створення нових екзотичних елементарних частинок був потрібен іще один тип кварків, важча версія нижнього кварка. Гелл-Манн назвав цей кварк дивним (s-, від англійського «strange», тобто «дивний»), а частинки, які містять s-кварки, були названі такими, яким властива «дивність».

Коли нейтральні струми були вперше запропоновані як частини слабкої взаємодії, виникла проблема. Якщо кварки взаємодіють із Z-частинками, тоді u-, d-, та s-кварки до та після нейтральнострумової взаємодії можуть залишитися u-, d-, та s-кварками, так само як електрони до та після цієї взаємодії лишаються електронами. Проте оскільки d– та s-кварки мають строго однакові електричні та ізотопічноспінові заряди, ніщо не завадило б s-кварку за результатами взаємодії з Z-частинкою перетворитися на d-кварк. Це дало б змогу частинкам, які містять s-кварки, розпадатися на частинки, які містять d-кварки. Проте жодного такого «розпаду зі зміною дивності» не було зафіксовано навіть в експериментах із дуже високою чутливістю. Щось тут було не так.

Відсутність «нейтральних струмів, що змінюють дивність» блискуче пояснив у 1970 році (принаймні на принциповому рівні) Шелдон Ґлешоу спільно з Джоном Іліопулосом та Лучано Майяні. Вони серйозно поставилися до кваркової моделі та висловили припущення, що, якщо існує четвертий кварк, який вони охрестили чарівним (c– від англійського «charm», тобто «чарівність») і який має такий самий заряд, що й u-кварк, тоді в обчисленій частоті перетворення s-кварка на d-кварк відбудеться дивовижне математичне взаємоскорочення, і нейтральні струми, що змінюють дивність, зникнуть, що відповідатиме даним експериментів.

Мало того, з цієї схеми стала випливати гарна симетрія між кварками й частинками на кшталт електронів і мюонів, які всі могли існувати у вигляді пар, зв’язаних за допомогою слабкої сили. Електрон парувався б із власним нейтрино, так само як і мюон. Також пари утворювали б верхній кварк із нижнім та чарівний кварк із дивним. W-частинки, взаємодіючи з однією з частинок у кожній парі, перетворювали б її на іншу частинку з цієї пари.

Утім, жодне з цих тверджень не вирішувало головних проблем сильної взаємодії між кварками. Чому ніхто ніколи не спостерігав жодного кварка? І, якщо сильна взаємодія описується калібрувальною теорією з глюонами в ролі калібрувальних частинок, як так сталося, що ніхто ніколи не спостерігав жодного глюона? І якщо глюони безмасові, як сильна сила може бути близькодійною?

Для декого ці проблеми залишалися свідченням того, що квантова теорія поля була хибним підходом до розуміння сильної сили. Фрімен Дайсон, який зіграв настільки важливу роль у розробці першої успішної квантової теорії поля, а саме квантової електродинаміки, стверджував, описуючи сильну взаємодію: «Правильна теорія буде знайдена не раніше, ніж за сто років».

Одним із тих, хто був переконаний у приреченості квантової теорії поля, був блискучий молодий фізик-теоретик Девід Ґросс. Учень Джефрі Чю, винахідника бутстрап-моделі ядерної демократії, у якій елементарні частинки були лише ілюзією, що маскує структуру, у якій реальні лише симетрії, а не частинки, Ґросс був усерйоз налаштований на остаточне знищення квантової теорії поля.

Згадаймо, що навіть 1965 року, коли Річард Фейнман одержав Нобелівську премію, побутувало відчуття, що розроблена ним та іншими процедура позбуття нескінченностей у квантовій теорії поля була фокусом; що на малих масштабах із картиною, запропонованою квантовою теорією поля, щось було фундаментально не так.

У 1950-х роках російський фізик Лев Ландау показав, що електричний заряд електрона залежить від масштабу, на якому він вимірюється. З нікуди вигулькують віртуальні частинки, тож електрони та всі інші елементарні частинки перебувають в оточенні хмари пар віртуальних частинок й античастинок. Ці пари екранують заряд аналогічно до екранування заряду в діелектриках. Позитивно заряджені віртуальні частинки схильні щільно оточувати негативний заряд, тож на відстані фізичні впливи початкового негативного заряду зменшуються.

Згідно з Ландау, це означало, що чим ближче ви підбираєтеся до електрона, тим більшим виглядатиме його дійсний заряд. Якщо заряд електрона дорівнює певному конкретному значенню при вимірюванні з великих відстаней, як ми це й робимо, це означає, що «чистий» заряд електрона, себто заряд на елементарній частинці, узятій без усього цього нескінченного вбрання з пар «частинка – античастинка», які оточують його на будь-яких маленьких масштабах, має бути нескінченним. У цій картині явно завелася гнилизна.

Ґросс працював під впливом не лише свого наукового керівника, а й думок, які на той час домінували, головним чином аргументів Гелл-Манна, котрий наприкінці 1950-х та на початку 1960-х років домінував у теоретичній фізиці елементарних частинок. Гелл-Манн обстоював використання алгебраїчних співвідношень, що постають із розмірковувань про теорію поля, після чого теорію поля треба було відкинути, а співвідношення лишити. Один із дуже характерних для нього описів звучав так: «Цей процес можна порівняти з методом, подеколи використовуваним у французькій кухні: шмат м’яса фазана готують поміж двома скибочками телятини, які після цього викидають».

Тож можна було виділити властивості кварків, корисні для передбачень, а тоді ігнорувати власне можливе існування кварків. Одначе Ґросс почав розчаровуватися в простому використанні ідей, пов’язаних із глобальними симетріями й алгебрами, та прагнув вивчати динаміку, яка дійсно могла б описати фізичні процеси, що відбуваються всередині сильно взаємодійних частинок. Спираючись на попередню роботу Джеймса Бьйоркена, Ґросс та його напарник Кертіс Калан показали, що заряджена частинка, судячи з усього, розташована всередині протонів і нейтронів, повинна мати спін ½, ідентичний спіну електронів. Пізніше, уже з іншими напарниками, Ґросс показав, що аналогічний аналіз виміряного в ЦЕРН розсіювання нейтрино на протонах та нейтронах засвідчив, що ці компоненти виглядають точно як запропоновані Гелл-Манном кварки.

Якщо щось крякає, як качка, і ходить, як качка, то це, імовірно, качка. Тож для Ґросса й інших реальність кварків була переконливо доведена.

Проте як би переконані не були Ґросс та багато інших у реальності кварків, вони були не менш переконані, що з цього випливало, що теорія поля ніяк не могла бути правильним способом опису сильної взаємодії. Результати експериментів вимагали, щоб складові елементи практично не взаємодіяли між собою; жодної сильної взаємодії.

1969 року колеги Ґросса з Принстона Кертіс Калан та Курт Симанзік перевідкрили систему рівнянь, яку досліджували спершу Ландау, а пізніше Гелл-Манн та Френсіс Лоу і яка описувала можливу зміну величин у квантовій теорії поля залежно від масштабу. Якщо партони, існування яких випливало з експериментів у СЦЛП, беруть участь хоч у якихось взаємодіях, як це мають робити кварки, тоді матимуть місце вимірювані відхилення від виведеного Бьйоркеном скейлінгу, і, відповідно, треба буде відкоригувати результати, які одержали ґросс та його напарники, порівнянюючи теорію з результатами експериментів у СЦЛП.

Упродовж наступних двох років на тлі результатів ‘т Гофта та Велтмана й дедалі більшої успішності передбачень теорії слабкої й електромагнітної взаємодій, усе більше людей почали знову звертати увагу на квантову теорію поля. Ґросс вирішив довести з великим ступенем узагальненості, що жодна притомна квантова теорія поля не здатна відтворити експериментальні результати стосовно природи протонів і нейтронів, одержані в СЦЛП. Таким чином він сподівався покласти край усьому цьому підходу до спроб зрозуміти сильну взаємодію. По-перше, він довів би, що єдиний спосіб пояснити результати СЦЛП полягав у тому, що якимось чином на коротких відстанях сила взаємодій квантового поля знижується до нуля, тобто на коротких відстанях поля, по суті, стають невзаємодійними. Далі, як наступний крок, він показав би, що ця властивість не притаманна жодній квантовій теорії поля.

Пригадаймо, що Ландау показав, що квантова електродинаміка, прототипічна узгоджена квантова теорія поля, поводиться точно навпаки. У міру того, як розмірність, на якій ви досліджуєте частинки (на кшталт електронів), зменшується, сила електричних зарядів збільшується через існування хмари віртуальних частинок і античастинок, що їх оточує.

На початку 1973 року Ґросс та його напарник Джорджо Парізі завершили першу частину доведення, а саме що зі спостережуваного в СЦЛП скейлінгу випливає, що, якщо сильну ядерну силу можна описати якою-небудь фундаментальною квантовою теорією поля, сильні взаємодії складових протона повинні обнулюватися на малих масштабах відстані.

Далі Ґросс спробував показати, що така поведінка, а саме обнулення сили взаємодій на малих масштабах відстані, яке він назвав асимптотичною свободою, не властива жодній теорії поля. За допомогою Сідні Коулмана з Гарварду, який у той час відвідував Принстон, Ґросс зумів довести це твердження для всіх притомних квантових теорій поля, крім калібрувальних теорій янг-міллзівського типу.

Тоді Ґросс узяв керівництво новим докторантом, 21-річним Френком Вільчеком, який перейшов до Принстона з Чиказького університету з наміром вивчати математику, проте, прослухавши докторантський курс Ґросса з теорії поля, змінив фах на фізику.

Ґроссу або пощастило, або він був дуже проникливий, оскільки став науковим керівником докторських дисертацій двох найсвітліших голів із-поміж фізиків мого покоління: Вільчека та Едварда Віттена, який стояв на чолі струннотеоретичної революції 1980-1990-х років і є єдиним фізиком в історії, відзначеним престижною Філдсівською премією, найвищою нагородою для математиків. Вільчек, можливо, є одним із кількох справжніх фізиків-поліматів. На початку 1980-х років ми з Френком стали частими напарниками й друзями, і він є не лише одним із найбільш творчих фізиків, з якими мені доводилося працювати, він також володіє енциклопедичними знаннями з цієї сфери. Він прочитав майже всі коли-небудь написані праці з фізики і засвоїв цю інформацію. За ці роки він зробив чимало фундаментальних внесків не лише у фізику елементарних частинок, а й у космологію та фізику матеріалів.

Ґросс доручив Вільчеку асистувати йому в дослідженні останньої лазівки в його попередньому доведенні – визначенні, як змінюється сила взаємодії в янг-міллзівських теоріях у разі переходу до менших масштабів відстані, – і довести, що ці теорії також не здатні проявляти асимптотичну свободу. Вони вирішили безпосередньо та явно обраховувати поведінку взаємодій у цих теоріях на дедалі менших масштабах відстані.

То було неймовірно важке завдання. Відтоді було розроблено інструменти для здійснення таких обчислень, як домашнє завдання в рамках докторантського курсу. Мало того, проводити обчислення завжди легше, коли відомо, якою має бути відповідь, як нам це відомо зараз. Після кількох гарячкових місяців, сповнених фальстартів та численних помилок, у лютому 1973 року вони закінчили обрахунки і, на превеликий подив Ґросса, виявили, що янг-міллзівські теорії все-таки є асимптотично вільними – у цих теоріях сила взаємодії таки прямує до нуля в міру наближення взаємодійних частинок одна до одної. Пізніше у своїй Нобелівській промові Ґросс висловився так: «Для мене відкриття асимптотичної свободи було цілковитою несподіванкою. Наче атеїст, який отримав послання від Неопалимої Купини, я негайно став ревним віруючим».

Сідні Коулман доручив своєму докторантові Девіду Поліцеру виконати аналогічні обрахунки, і його незалежний результат, одержаний приблизно в той же час, узгоджувався з результатами Ґросса й Вільчека. Узгодженість результатів надала обом групам великої впевненості в них.

Янг-міллзівські теорії не просто асимптотично вільні; це єдині теорії поля, яким це властиво. Це навело Ґросса й Вільчека на думку, висловлену у вступі до їхньої основоположної статті, що через цю унікальність і через те, що з огляду на результати експериментів у СЦЛП 1968 року асимптотична свобода, схоже, була необхідним елементом будь-якої теорії сильної взаємодії, можливо, деяка янг-міллзівська теорія могла б пояснити сильну взаємодію.

Залишалося визначити, яка саме янг-міллзівська теорія потрібна для цього, а також чому безмасові калібрувальні частинки, що є фірмовим знаком янг-міллзівських теорій, досі не були виявлені. Також лишалося актуальним ще одне давнє і, мабуть, найважливіше пов’язане з цим питання: «Де кварки?»

Проте перед тим, як перейти до розгляду цих питань, можливо, вас цікавить, чому поведінка янг-міллзівських теорій настільки відрізняється від їхнього простішого брата – квантової електродинаміки, для якої Ландау показав збільшення сили взаємодії між електричними зарядами за умови зменшення масштабів довжини.

Ключ до відповіді дещо неочевидний і захований у природі безмасових калібрувальних частинок у теорії Янга – Міллза. На відміну від фотонів у КЕД, які не мають електричного заряду, глюони, передбачені переносники сильної взаємодії, мають янг-міллзівські заряди, а отже, взаємодіють між собою. Утім, через те, що янг-міллзівські теорії складніші за КЕД, заряди глюонів також складніші за прості електричні заряди електронів. Кожен глюон схожий не лише на заряджену частинку, а й на маленький заряджений магніт.

Якщо піднести маленький магніт до шматка заліза, залізо намагнічується, і ви матимете більш потужний магніт. Щось на кшталт цього відбувається в янг-міллзівських теоріях. Якщо взяти якусь частинку з янг-міллзівським зарядом, скажімо, кварк, тоді кварки й антикварки можуть вигулькувати з вакууму навколо заряду й екранувати його, як це відбувається в електромагнетизмі. Проте глюони також можуть вигулькувати з вакууму, а оскільки вони поводяться, як маленькі магніти, то схильні орієнтуватися вздовж напрямку поля, породженого початковим кварком. Це збільшує силу поля, що, своєю чергою, змушує вигулькувати з вакууму більше глюонів, які додатково посилюють поле, і так далі.

Як наслідок, чим глибше вдається зануритись у хмару віртуальних глюонів, себто чим ближче вдається підібратися до кварка, тим слабшим виглядатиме поле. Кінець кінцем, у міру наближення кварків один до одного їхня взаємодія стає настільки слабкою, що вони починають поводитися так, наче зовсім не взаємодіють, що є характерною ознакою асимптотичної свободи.

Тут я використовував як позначення «глюони» та «кварки», проте відкриття асимптотичної свободи не вказує суто на якусь конкретну янг-міллзівську теорію. Проте Ґросс та Вільчек збагнули, що природним кандидатом була янг-міллзівська теорія, яку Ґрінберґ та інші позиціонували як необхідну для того, щоб кваркова гіпотеза Гелл-Манна могла пояснити спостережувану природу елементарних частинок. У цій теорії кожен кварк переносить один із трьох різних типів зарядів, що позначаються за браку кращих варіантів кольорами, скажімо, червоним, зеленим чи синім. З огляду на цю номенклатуру Гелл-Манн придумав для своєї янг-міллзівської теорії спеціальну назву – «квантова хромодинаміка (КХД)», себто квантова теорія кольорових зарядів, за аналогією з квантовою електродинамікою, себто квантовою теорією електричних зарядів.

Виходячи зі спостережних аргументів на користь такої пов’язаної з кварками симетрії, Ґросс та Вільчек постулювали, що квантова хромодинаміка є неомильною калібрувальною теорією сильної взаємодії кварків.

Приблизно через рік після цих теоретичних звитяг видатна ідея асимптотичної свободи дістала не менш видатний експериментальний стимул. У ході експериментів у СЦЛП і на іншому прискорювачі в Брукхейвені, що на Лонг-Айленді, було зроблене разюче й несподіване відкриття нової масивної елементарної частинки, яка – виглядало на те – могла складатися з нового кварка, а саме з так званого чарівного кварка, що його передбачили Ґлешоу та його друзі чотирма роками раніше.

Проте це нове відкриття було цікаве тим, що нова частинка жила значно довше, ніж можна було собі уявити, виходячи з виміряного часу життя нестабільних легших сильно взаємодійних частинок. За словами експериментаторів, які відкрили цю нову частинку, спостерігати її було подібно до блукання джунглями й виявлення нової раси людей, які доживають не до ста, а до десяти тисяч років.

Якби це відкриття було зроблено якихось п’ять років тому, воно здавалося б непоясненним. Проте цього разу фортуна всміхнулася тим, хто був до цього готовий. Том Аппельквіст та Девід Поліцер, які в той час працювали в Гарварді, швидко збагнули, що, якщо сильній взаємодії справді властива асимптотична свобода, то можна показати, що взаємодії, які керують більш масивними кварками, будуть слабшими за взаємодії, які керують легшими, більш звичними кварками. Слабші взаємодії означають, що частинки розпадаються повільніше. Те, що за інших обставин було б таємницею, у цьому разі стало підтвердженням нової ідеї асимптотичної свободи. Здавалося, усі шматочки мозаїки стають на свої місця.

За винятком однієї напрочуд великої проблеми. Якщо теорія квантової хромодинаміки була теорією взаємодій кварків і глюонів, де перебувають усі ці кварки й глюони? Як так сталося, що їх ніхто ніколи не спостерігав у рамках експериментів?

Ключову підказку дає асимптотична свобода. Якщо сила слабкої взаємодії зменшується в міру наближення до кварка, то, відповідно, вона повинна збільшуватися в міру віддалення від кварка. Тепер уявімо, що трапиться, якщо взяти кварк і антикварк, зв’язані докупи сильною взаємодією, і спробувати їх роз’єднати. У міру відтягнення їх один від одного потрібно дедалі більше енергії, оскільки сила тяжіння між ними збільшується зі збільшенням відстані. Урешті-решт у полях навколо кварка накопичується стільки енергії, що стає енергетично вигідніше породити з вакууму нову пару «кварк – антикварк» і зв’язати їх з однією з початкових частинок. Схематично цей процес можна зобразити так:

Це схоже на розтягнення гумової стрічки. Замість розтягуватися вічно, стрічка врешті-решт розірветься навпіл. У такому випадку кожен шматок являтиме собою нову зв’язану пару «кварк – антикварк».

Яке це має значення для експериментів? Ну, якщо розігнати частинку на кшталт електрона й вона зіткнеться з кварком усередині протона, то виб’є кварк із протона. Проте щойно кварк почне рухатися до виходу з протона, його взаємодія з іншими кварками, що лишилися, збільшиться, і зрештою стане енергетично вигідніше породити з вакууму віртуальні пари «кварк – антикварк» і прив’язати їх як до вибитого кварка, так і до тих, що лишилися. Це означає, що утвориться злива сильно взаємодійних частинок на кшталт протонів, нейтронів, піонів тощо, які рухатимуться вздовж напрямку руху початкового вибитого кварка, і аналогічно злива сильно взаємодійних частинок, що відскакують у напрямку руху решти початкових кварків, що залишилися від протона. Самих кварків ніколи не буде видно.

Аналогічно, якщо частинка зіткнеться з кварком, подеколи кварк перед зв’язуванням із виниклим із вакууму антикварком випустить у відповідь глюон. Тоді, оскільки глюони взаємодіють як із кварками, так і між собою, цей новий глюон може випустити ще більше глюонів. Ці глюони, своєю чергою, будуть оточені новими кварками, що вигулькують із вакууму, створюючи нові сильно взаємодійні частинки, які рухаються вздовж напрямку руху кожного з початкових глюонів. У цьому випадку подеколи можна очікувати побачити не одну зливу, що рухається в напрямку початкового кварка, а кілька злив, які відповідають кожному випущеному дорогою новому глюону.

Оскільки квантова хромодинаміка є конкретною, чітко визначеною теорією, можна передбачити частоту випускання кварками глюонів, частоту спостереження єдиної зливи, яка називається струменем, вибитим під час зіткнення електрона з протоном чи нейтроном, частоту спостереження двох злив тощо. Урешті-решт, коли прискорювачі стали достатньо потужними для спостереження всіх цих процесів, спостережувані частоти гарно узгоджувалися з передбаченнями теорії.

Є всі підстави вважати, що ця картина вільних кварків та глюонів, які настільки швидко зв’язуються з новими кварками та антикварками, що ніхто ніколи не побачить вільний кварк чи глюон, правильна. Це явище називається конфайнмент (від англійського «confinement», себто «утримання»), оскільки кварки та глюони завжди утримуються всередині сильно взаємодійних частинок на кшталт протонів та нейтронів і ніколи не можуть вивільнитися з них без того, щоб стати частиною новостворених сильно взаємодійних частинок.

Оскільки сам процес, унаслідок якого кварки утримуються в частинках, відбувається тоді, коли сили стають дедалі сильнішими в міру віддалення кварка від своїх початкових товаришів, стандартні обрахунки квантової теорії поля, слушні в разі не надто сильних взаємодій, ламаються. Тож наразі ця підтверджена експериментами картина не може бути повною мірою підтверджена розв’язними обчисленнями.

Чи виведемо ми коли-небудь математичні інструменти, необхідні для аналітичної демонстрації на основі неемпіричних обрахунків, що конфайнмент дійсно є математичною властивістю квантової хромодинаміки? Це питання на мільйон доларів, причому в буквальному сенсі слова. Математичний інститут Клея оголосив винагороду в мільйон доларів за строге математичне доведення того, що квантова хромодинаміка не допускає створення вільних кварків чи глюонів. Хоча досі претендентів на цю винагороду не було, є вагомі опосередковані свідчення на користь цієї ідеї не лише з боку експериментальних спостережень, а й з боку численних симуляцій, які близько апроксимують[11] складні взаємодії у квантовій хромодинаміці. Це якщо не переконує, то принаймні надихає. Усе одно необхідно підтвердити, що це властивість саме теорії, а не комп’ютерної симуляції. Утім, для фізиків це виглядає досить переконливо, хай навіть математики іншої думки.

Останній елемент безпосереднього доказу слушності КХД надійшов зі сфери, де можливо провести точні обрахунки. Вище я згадував, що, оскільки на малих відстанях кварки не повністю вільні, мають існувати обчислювані поправки на екзотичний феномен скейлінгу, який спостерігається у високоенергетичних зіткненнях електронів із протонами й нейтронами та вперше був зафіксований у СЦЛП. Ідеальний скейлінг вимагатиме абсолютно невзаємодійних частинок. Поправки, які можна обрахувати у квантовій хромодинаміці, можна буде спостерігати лише в значно чутливіших експериментах, аніж уперше проведені в СЦЛП. Для їх дослідження знадобилося розробити нові, більш високоенергетичні прискорювачі. Упродовж приблизно тридцяти років вдалося зібрати достатньо свідчень, щоб теоретичні передбачення зійшлися з результатами експериментів із точністю до 1 %, а квантову хромодинаміку як теорію сильної взаємодії вдалося все-таки точно й детально верифікувати.

2004 року Ґросс, Вільчек та Поліцер урешті-решт одержали Нобелівську премію за відкриття асимптотичної свободи. Експериментатори, які вперше відкрили скейлінг у СЦЛП, що стало ключовим спостереженням, яке спрямувало теоретиків у правильному напрямку, удостоїлися цієї нагороди значно раніше, 1990 року. А експериментатори, які 1974 року відкрили чарівний кварк, отримали Нобелівську премію вже через два роки, у 1976-му.

Проте, як казав Річард Фейнман, найвищою нагородою є не відзнака медаллю чи грошовою премією, і навіть не визнання з боку колег чи широкої публіки, а дізнання чогось по-справжньому нового про природу.

У цьому сенсі 1970-ті роки були, мабуть, найбагатшим десятиліттям в історії фізики ХХ століття, якщо не в усій історії фізики загалом. 1970 року ми повністю як квантову теорію розуміли лише одну силу природи, а саме квантову електродинаміку. До 1979 року ми розробили та експериментально перевірили, можливо, найвидатнішу теоретичну доктрину, створену людським розумом, – Стандартну модель фізики елементарних частинок, що описує рівно три з чотирьох відомих сил природи. Ця робота тривала впродовж усієї історії сучасної науки, від дослідження природи рухомих тіл Галілеєм, через відкриття Ньютоном законів руху, через експериментальні й теоретичні дослідження природи електромагнетизму, через Ейнштейнове об’єднання простору й часу, через відкриття ядра, квантової механіки, протонів, нейтронів та відкриття власне слабкої та сильної сил.

Проте найвизначнішою характеристикою цього довгого походу до світла є те, наскільки сильно відрізняється фундаментальна природа реальності від тіней реальності, з якими ми стикаємося щодня, зокрема в плані того, що фундаментальні величини, які позірно визначають наше з вами існування, насправді аж ніяк не фундаментальні.

Серцевину спостережуваної матерії становлять частинки, які ніхто ніколи безпосередньо не спостерігав і, якщо ми не помиляємося, ніхто ніколи безпосередньо не спостерігатиме, – кварки та глюони. Властивості сил, що визначають взаємодії цих частинок, а також частинок, які впродовж більш ніж століття формували основу сучасної експериментальної фізики, себто електронів, на фундаментальному рівні також повністю відрізняються від властивостей, які ми спостерігаємо безпосередньо й від яких залежить наше існування. Сильна взаємодія між протонами й нейтронами є всього-на-всього далекосяжною решткою базисної сили взаємодії між кварками, чиї фундаментальні властивості маскуються складними взаємодіями всередині ядра. Слабка взаємодія й електромагнітна взаємодія, які зовні відрізняються настільки, наскільки це взагалі можливо (перша близькодійна, а друга далекосяжна, і перша видається в тисячі разів слабшою за другу), насправді тісно пов’язані між собою та відображають різні грані єдиного цілого.

Це ціле приховане від нас через випадковість природи, яку ми називаємо спонтанним порушенням симетрії, яке розмежовує слабку та електромагнітну взаємодію у світі наших чуттів і приховує їхню справжню природу. Ба більше, властивості частинок, що породжують характеристики чудового світу, який ми спостерігаємо навколо нас, можливі лише тому, що після випадковості в разі спонтанного порушення симетрії в природі залишилася б тільки одна безмасова частинка – фотон. Якби порушення симетрії не сталося й базисні симетрії сил, які визначають поведінку матерії, не проявили себе, що, своєю чергою, означало б, що частинки, які переносять слабку силу, як і більшість частинок, з яких складаємося ми з вами, були б безмасовими, не сформувалося б, по суті, нічого з того, що ми нині бачимо у всесвіті: від галактик до зірок, планет, людей, пташок і бджіл, науковців і політиків.

Мало того, ми дізналися, що навіть ці частинки, з яких складаємося ми, це ще не все, що існує в природі. Спостережувані частинки об’єднуються в прості угруповання, або сімейства. Верхні й нижні кварки утворюють протони й нейтрони. Біля них перебувають електрон зі своїм напарником – електронним нейтрино. Також із досі незрозумілих нам причин існує важче сімейство, яке складається, з одного боку, з чарівного та дивного кварків, а з другого, – з мюона і його нейтрино. Нарешті, що підтверджено проведеними в останні два десятиліття експериментами, є третє сімейство, яке складається з двох нових типів кварків, красивого (b-) і правдивого (t-), та супутнього важкого різновиду електрона під назвою «тау-частинка» разом із його нейтрино.

Є всі підстави очікувати, що, як буде описано невдовзі, існують й інші елементарні частинки, окрім перерахованих, які ще ніхто ніколи не спостерігав. Тоді як ці частинки, котрі, як вважають, становлять загадкову темну матерію, на яку припадає левова частка маси нашої та всіх інших спостережуваних галактик, можуть бути невидимі для наших телескопів. Утім, наші спостереження й теорії свідчать про те, що за відсутності темної матерії галактики й зорі ніколи не сформувалися б.

А в центрі всіх сил, що визначають динамічну поведінку всього, що ми можемо спостерігати, лежить чудовий математичний каркас, який має назву «калібрувальна симетрія». Ця математична властивість притаманна всім відомим силам: сильній, слабкій, електромагнітній, і навіть гравітації, й у випадку перших трьох саме ця властивість гарантує, що відповідні теорії мають математичний сенс і що з обрахунків усіх величин, які можна порівняти з результатами експериментів, зникають огидні квантові нескінченності.

За винятком електромагнетизму, усі ці симетрії повністю сховані від людських очей. Калібрувальна симетрія сильної взаємодії прихована, оскільки фундаментальні частинки, які є проявом цієї симетрії, імовірно, приховуються конфайнментом. Калібрувальна симетрія слабкої сили не проявляє себе у світі, у якому ми живемо, через спонтанне порушення, унаслідок чого W– та Z-частинки стають надзвичайно масивними.

Тіні на стіні повсякдення – насправді лише тіні. У цьому сенсі найвидатніша з коли-небудь розказаних оповідей, яка триває й досі, повільно розгорталася впродовж уже більш ніж двох тисяч років відтоді, як Платон уперше уявив її собі у своїй аналогії печери.

Проте якою б видатною не була ця оповідь, два слони досі лишалися непоміченими. Два герої нашої оповіді донедавна могли означати, що її ключові аспекти є всього-на-всього казкою, вигаданою теоретиками з надто багатою уявою.

По-перше, уведені 1960 року для пояснення слабкої взаємодії W– та Z-частинки з масами, майже в сотню разів більшими за масу протонів та нейтронів, зоставалися лише теоретичними постулатами, попри переконливі опосередковані докази їх існування. Мало того, було передбачено, що весь простір пронизує невидиме поле, поле Хіггса, маскуючи справжню природу реальності та уможливлюючи наше існування, оскільки воно спонтанно порушує симетрію між слабкою та електромагнітною взаємодіями.

Уславлення оповіді, яка претендує на роз’яснення, як так сталося, що ми існуємо, але водночас постулює існування невидимого поля, що пронизує весь простір, підозріло нагадає не наукове, а релігійне уславлення. Аби по-справжньому гарантувати, що наші вірування відповідають фактам реальності, а не нашим бажанням стосовно реальності, аби наука залишалася гідною цього звання, ми мали відкрити поле Хіггса. Лише тоді ми змогли б точно визначити, чи може важливість рис нашого настільки дорогого нам світу не перевищувати важливості рис якогось довільного крижаного кристала на вікні. Або, якщо ближче до теми, бути не більшою за важливість надпровідникової природи дроту в лабораторії порівняно з нормальним опором дротів у моєму комп’ютері.

Обсяг експериментальної роботи для здійснення цього завдання не поступався в плані складності розробці власне цієї теорії. У багатьох аспектах ця робота жахала навіть більше, і для її виконання знадобилося витратити понад п’ятдесят років та використати найскладніший витвір технології, за який коли-небудь бралося людство.

Розділ 20 Надираючи вакуум

Завершивши 1970-ті роки, фізики-теоретики перебували на вершині світу, вони тріумфували й торжествували. Ураховуючи стрімкість прогресу, що привів до створення Стандартної моделі, які світи буде підкорено далі? Мрії про теорію всього, які тривалий час перебували в сплячці, почали поволі пробуджуватися знову, причому не лише в тьмяних закутках колективної підсвідомості теоретиків.

Утім, калібрувальні W– та Z-частинки так ніхто на ділі й не побачив, і завдання організувати їхнє безпосереднє спостереження було вельми страхітливим. Було точно передбачено, що їхні маси приблизно в дев’яносто разів більші за масу протона. Складність з отриманням цих частинок пов’язана з простою фізичною деталлю.

Фундаментальне рівняння теорії відносності Ейштейна E = mc² показує, що можна перетворити енергію на масу, розігнавши частинки до енергій, набагато більших за їхню масу спокою. Далі можна вдарити ними об мішень і подивитися, що буде.

Проблема в тому, що енергія, доступна для одержання нових частинок за рахунок вдаряння іншими швидко рухомими частинками в нерухомі мішені, надається тим, що називається енергією центру мас. Для тих, кого не злякати ще однією формулою, вона дорівнює кореню квадратному з подвоєного добутку енергії прискореної частинки на енергію маси спокою частинки-мішені. Уявіть, що ми розігнали якусь частинку до енергії, у сто разів більшої за енергію маси спокою протона (що становить приблизно один гігаелектронвольт, ГеВ). Тоді в результаті зіткнення з нерухомими протонами мішені доступна для створення нових частинок енергія центру мас становитиме тільки 14 ГеВ. Це лише трохи більше за енергію центра мас, доступну в найвисокоенергетичнішому прискорювачі елементарних частинок зразка 1972 року.

Щоб досягти енергії, необхідної для породження масивних частинок на кшталт W– чи Z-бозонів, мають зіткнутися два зустрічні пучки частинок. У цьому випадку сумарна енергія центру мас дорівнює просто подвоєній енергії кожного пучка. Якщо кожен із пучків частинок, що беруть участь у зіткненні, має енергію, у сто разів більшу за масу спокою протона, дістаємо 200 ГеВ енергії, яку можна перетворити на масу нових частинок.

Нащо ж тоді будувати прискорювачі з нерухомим мішенями, а не колайдери? Відповідь дуже проста. Якщо я стріляю кулею у ворота сараю, моє влучання куди-небудь більш-менш гарантоване. Але якщо я стріляю кулею в іншу кулю, що летить до мене, то, щоб гарантовано в неї влучити, я маю бути значно вправнішим стрільцем, ніж, мабуть, будь-хто з нині живих, і мати значно кращу зброю, аніж будь-яка наявна.

Саме такий виклик стояв перед експериментаторами 1976 року, коли вони поставилися до електрослабкої моделі достатньо серйозно, аби вирішити, що її перевірка варта часу, зусиль і грошей.

Проте ніхто не знав, як збудувати пристрій із достатньою кількістю енергії. Прискорення окремих пучків частинок чи античастинок до високих енергій було опрацьоване. Станом на 1976 рік ми вже вміли розганяти протони до 500 ГеВ, а електрони – до 50 ГеВ. На менших енергіях було здійснено успішні зіткнення електронів та їхніх античастинок, і саме так 1974 року було відкрито нову частинку, яка містила чарівні кварк і антикварк.

Протони, які від самого початку мають більшу масу, а отже, і більшу енергію спокою, легше розігнати до високих енергій. Саме 1976 року було здано в експлуатацію протонний прискорювач у Європейській організації з ядерних досліджень (ЦЕРН) у Женеві, протонний суперсинхротрон (SPS) – традиційний прискорювач зі стаціонарною мішенню, здатний працювати з протонним пучком потужністю 400 ГеВ. Проте на момент увімкнення SPS інший прискорювач у Фермілабі, що неподалік від Чикаго, уже досяг рівня потужності протонного пучка в 500 ГеВ. У червні того ж року на конференції, присвяченій нейтрино, фізики Карло Руббіа, Пітер Макінтайр та Девід Клайн виступили із зухвалою ідеєю: якщо перебудувати SPS у ЦЕРН на машину, у якій протони зіштовхуватимуться з їхніми античастинками, антипротонами, ЦЕРН потенційно зможе виробляти W– та Z-частинки.

Їхня зухвала ідея полягала у використанні одного й того ж кругового тунелю для розгону протонів в один бік, а антипротонів – у другий. Оскільки ці дві частинки мають протилежні електричні заряди, той самий розгінний механізм діятиме на кожну з них відповідно. Тож один прискорювач у принципі міг утворити два високоенергетичні пучки, що рухатимуться по колу в протилежних напрямках.

Логічність цієї ідеї була очевидна, а от її реалізація – ні. Перш за все, враховуючи силу слабкої взаємодії, породження навіть кількох W– та Z-частинок вимагало зіткнення сотень мільярдів протонів та антипротонів. Проте досі ще нікому не вдавалося породити та накопичити стільки антипротонів, щоб утворився повноцінний прискорювальний пучок.

Далі можна було б подумати, що, коли два пучки літатимуть одним тунелем у протилежних напрямках, частинки зіштовхуватимуться по всьому тунелю, а не в детекторах, призначених для визначення продуктів зіткнень. Проте насправді все зовсім не так. Поперечний переріз навіть невеликого тунелю настільки велетенський порівняно з діаметром ділянки, у якій можуть зіткнутися протон з антипротоном, що проблема полягає зовсім в іншому. Здавалося неможливим створити достатню кількість антипротонів та забезпечити достатню їхню та протонів щільність у пучках, щоб, коли пучки, напрямлені потужними магнітами, зійдуться, відбулися взагалі хоч які-небудь зіткнення.

Переконати правління ЦЕРН перетворити один із найпотужніших прискорювачів світу, збудований у круговому тунелі завдовжки майже вісім кілометрів на франко-швейцарському кордоні, на новий тип колайдера, було б складно для більшості людей, проте Карлу Руббіа, пишномовній силі природи, це завдання було до снаги. Мало хто з тих, хто ставав у нього на шляху, потім про це не шкодував. Упродовж 18 років він щотижня мотався з ЦЕРН до Гарварду, де працював професором, і назад. Його кабінет містився двома поверхами нижче за мій, проте я знав, коли він на місці, оскільки його було чутно. Мало того, ідея Руббіа була гарною, і, просуваючи її, він насправді пропонував ЦЕРН підвищити SPS від статусу машини-«аутсайдера» до найзахопливішого прискорювача у світі. Шелдон Ґлешоу казав директорам ЦЕРН, заохочуючи їх до руху вперед: «Ви хочете ходити чи літати?»

Проте для польоту потрібні крила, і формування нових методів створення, збереження, прискорення й фокусування пучка антипротонів лягло на плечі блискучого фахівця з фізики прискорювачів із ЦЕРН Симона ван дер Мера. Його метод був настільки кмітливим, що, дізнавшись про нього, багато фізиків були певні, що він порушує якісь фундаментальні принципи термодинаміки. Властивості частинок у пучку мали вимірюватися в одному місці кругового тунелю, після чого магніти далі по тунелю одержували сигнал надати частинкам пучка, що пролітають повз них, багато розтягнутих у часі маленьких поштовхів, таким чином дещо змінюючи енергії та імпульси частинок, що збилися зі шляху, і врешті-решт фокусуючи їх у вузький пучок. Цей метод, що дістав назву стохастичного охолодження, гарантував, що частинки, які відхилилися від центру пучка, будуть спрямовані назад у його середину.

Спільними зусиллями ван дер Мер та Руббіа лупали цю скалу, і до 1981 року колайдер працював, як було задумано, а Руббіа згуртував найбільший спільний фізичний проект з усіх та збудував великий детектор, здатний просіяти мільярди зіткнень протонів і антипротонів у пошуках жменьки вірогідних W– та Z-частинок. Утім, команда Руббіа була не єдиною, хто полював на W та Z. У тому ж ЦЕРН був сформований іще один спільний проект із побудови детектора. Вважали, що надлишкові потужності для настільки важливого спостереження зайвими не будуть.

Відшукати в ході цих експериментів потрібний сигнал на настільки неосяжному фоні було нелегко. Згадаймо, що протони складаються більш ніж з одного кварка, і в процесі одного зіткнення протона з антипротоном може відбутися багато чого. Мало того, W– та Z-частинки мали спостерігати не безпосередньо, а через їхні розпади, у випадку W-частинок – на електрони й нейтрино. Нейтрино також не мали спостерігати безпосередньо. Натомість експериментатори мали скласти докупи сумарні енергії та імпульси всіх вихідних частинок у рамках подій-кандидатів та пошукати великі обсяги «зниклої енергії», що було б ознакою утворення нейтрино.

У грудні 1982 року Руббіа з колегами стали свідками потенційної W-події. Руббіа жадав опублікувати статтю на основі цієї єдиної події, проте його колеги були обережніші й мали на те всі підстави. За Руббіа, здається, тягнувся хвіст відкриттів, які на повірку не завжди виявлялися відкриттями. Тим часом він потайки поділився подробицями цієї події з кількома колегами з різних куточків світу.

Упродовж кількох наступних тижнів його колаборація UA1 зібрала докази ще п’яти потенційних W-подій, і фізики з команди UA1 розробили декілька значно строгіших тестів задля ствердження з високим ступенем упевненості, що ці потенційні події дійсно мали місце. 20 січня 1983 року Руббіа провів у ЦЕРН пам’ятний та майстерно обставлений семінар, на якому оголосив здобуті результати. Його зустріли стоячою овацією, яка засвідчила, що фізичну спільноту він переконав. Кілька днів по тому Руббіа подав до часопису «Physics Letters» статтю, у якій повідомлялося про виявлення шести W-подій. Віднайдена W-частинка мала точно передбачену масу.

Утім, на цьому пошуки не завершилися. Досі не було виявлено частинки Z. Її передбачена маса була трохи більшою за масу W-частинки, а тому зафіксувати її сигнал було важче. Зрештою, уже десь за місяць після оголошення про виявлення W-частинки в обох експериментах почали з’являтися ознаки Z-подій, і 27 травня того ж року на основі однієї чіткої такої події Руббіа оголосив про її відкриття.

Калібрувальні бозони електрослабкої моделі нарешті було знайдено. Важливість цих відкриттів для зміцнення емпіричних основ Стандартної моделі була підкреслена трохи більш ніж за рік після цього оголошення, коли Руббіа та його колега з галузі фізики прискорювачів ван дер Мер одержали Нобелівську премію з фізики. Хоча команди, які збудували й керували прискорювачем та детекторами, складалися з величезної кількості людей, майже всі сходилися на тому, що, якби не енергійність і наполегливість Руббіа та майстерні винаходи ван дер Мера, це відкриття не було б зроблене ніколи.

Залишився останній Святий Грааль – передбачена Хіггсом частинка. На відміну від W– та Z-бозонів, маса бозона Хіггса не зафіксована теорією. Було передбачено її зв’язування з матерією та калібрувальними бозонами, оскільки ці зв’язування надають можливість фоновому полю Хіггса, яке, можливо, існує в природі, порушувати калібрувальну симетрію й надавати масу не лише W– та Z-частинкам, а й електронам, мюонам та кваркам – узагалі всім фундаментальним частинкам Стандартної моделі, окрім нейтрино й фотона. Проте з використанням наявних на той час вимірювань не вдалося заздалегідь окремо визначити ані масу частинки Хіггса, ані силу її самовзаємодій. Теорія лише зафіксувала їх співвідношення в термінах виміряної сили слабкої взаємодії між відомими частинками.

З огляду на консервативні оцінки можливої величини сили самовзаємодії бозона Хіггса, його маса була консервативно оцінена як така, що лежить у діапазоні від 2 до 2000 ГеВ. Верхня межа зумовлена тим, що, якщо самозв’язність бозона Хіггса буде завелика, теорія перетворюється на сильно взаємодійну, і багато розрахунків, виконаних із використанням найпростішої картини бозона Хіггса, ламаються.

Таким чином, незважаючи на їхню невід’ємну роль у порушенні електрослабкої симетрії та наділенні інших елементарних частинок масами, ці кількісні параметри весь цей час залишалися, по суті, невизначеними експериментально. Імовірно, що саме це спонукало Шелдона Ґлешоу в 1980-х роках назвати бозон Хіггса «туалетом» сучасної фізики: усі були свідомі необхідності його існування, проте ніхто не хотів обговорювати на публіці подробиці.

Той факт, що Стандартна модель не зафіксувала заздалегідь багато деталей поля Хіггса, не завадив багатьом теоретикам пропонувати моделі, які «передбачали» масу частинки Хіггса на основі якихось нових теоретичних ідей. На початку 1980-х років, щоразу як зростали доступні прискорювачам енергії, з’являлися все нові й нові статті, що віщували відкриття бозона Хіггса, тільки-но ввімкнуть нову машину. Тоді досягали нового порога, проте нічого такого не спостерігали. Було очевидно, що для вивчення всього доступного простору параметрів у пошуках відповіді на запитання, чи існує бозон Хіггса, необхідно збудувати радикально новий прискорювач.

Весь цей час я був переконаний, що бозона Хіггса не існує. Звісно, спонтанне порушення електрослабкої калібрувальної симетрії мало місце, – W– та Z-частинки існують і мають масу, – проте додавання нового фундаментального скалярного поля, ретельно розробленого для виконання конкретно цього завдання, здавалося мені чимось надмірним. По-перше, у всьому звіринці частинок, що тільки існують у природі, ніколи не спостерігали жодного фундаментального скалярного поля. По-друге, я відчував, що з огляду на всю невідому досі фізику, яка чекає свого відкриття в малих масштабах, природа напевно вигадала значно більш вишуканий та несподіваний спосіб порушення калібрувальної симетрії. Щойно хтось постулює існування частинки Хіггса, одразу ж постає очевидне запитання «Чому так?», або, якщо конкретніше, «Чому саме така динаміка, щоб вона конденсувалася точно на цьому масштабі і з цією масою?». Я вважав, що природа знайде спосіб порушити теорію менш вузькоспеціалізованим способом, і, коли після здобуття докторського ступеня проходив співбесіду на дістану врешті-решт посаду в товаристві стипендіатів у Гарварді, висловив це своє переконання вельми впевнено.

Тепер пригадаймо, якими є наслідки існування бозона Хіггса. Він вимагає існування в природі не лише нової частинки, а й невидимого фонового поля, яке має існувати у всьому просторі. З цього також випливає, що всі частинки фундаментальної теорії – не лише W– та Z-частинки, а й електрони й кварки – безмасові. Взаємодіючи з фоновим полем Хіггса, ці частинки відчувають щось на зразок опору своєму руху, який гальмує їх переміщення до швидкості, меншої за швидкість світла, подібно до того, як плавець у патоці рухатиметься повільніше за плавця у воді. Рухаючись із досвітловою швидкістю, частинки поводяться так, наче вони масивні. Частинки, які сильніше взаємодіють із цим фоновим полем, відчуватимуть більший опір і поводитимуться так, наче вони масивніші, подібно до того, як автівку, що з’їхала з дороги в багнюку, буде важче штовхати, аніж якби вона стояла на асфальті, і з точки зору тих, хто її штовхає, вона здаватиметься важчою.

Це дивовижне твердження щодо природи реальності. Пам’ятаючи, що конденсат, який формується в надпровідниках, є складним станом зв’язаних пар електронів, я скептично ставився до ідеї, що на фундаментальних масштабах у порожньому просторі все працюватиме настільки просто й точно.

То як же перевірити таке дивовижне твердження? Скористаємося головною властивістю квантової теорії поля, яку використав сам Хіггс, висуваючи свою ідею. Для кожного нового поля в природі має існувати принаймні один новий тип елементарної частинки з таким полем. Як же в такому разі породити такі частинки, якщо таке фонове поле існує у всьому просторі?

Дуже просто. Ми надеремо вакуум.

Під цим я маю на увазі, що, якщо нам вдасться сфокусувати достатню кількість енергії в одній точці простору, ми можемо спонукнути з’явитися частинки Хіггса, які потім виміряємо. Цей процес можна уявити собі так. Мовою фізики елементарних частинок, вираженої за допомогою діаграм Фейнмана, можна уявити, як віртуальна частинка Хіггса виринає з фонового поля Хіггса, надаючи масу іншим частинкам. Ліва діаграма відповідає частинкам на кшталт кварків та електронів, що натикаються на віртуальну частинку Хіггса й змінюють траєкторію, відчуваючи таким чином опір своєму руху вперед. Права діаграма зображує аналогічний ефект для частинок на кшталт W та Z.

Далі можна просто розвернути цей рисунок:

У цьому випадку все виглядає так, наче енергійні частинки на кшталт W– та Z-бозонів, кварків та/або антикварків чи електронів та/або позитронів випускають віртуальні частинки Хіггса й відскакують назад. Якщо енергії частинок, що налітають, достатньо великі, випущена частинка Хіггса може бути реальною. Якщо ні, частинка Хіггса буде віртуальною.

Тепер згадаймо, що, якщо бозон Хіггса надає частинкам масу, тоді найбільшої маси набуватимуть частинки, з якими він взаємодіє найсильніше. Це, своєю чергою, означає, що найбільші шанси породити в результаті зіткнення бозон Хіггса мають частинки з найбільшими масами. Це означає, що легкі частинки на кшталт електронів навряд чи є гарним вибором для безпосереднього утворення частинок Хіггса в прискорювачі. Натомість можна уявити собі створення прискорювача з достатньою енергією для породження важких віртуальних частинок, які випускатимуть віртуальні чи реальні частинки Хіггса.

З огляду на це природними кандидатами є протони. Збудуймо прискорювач чи колайдер із протонами та розженімо їх до достатньо високих енергій для породження достатньої кількості важких віртуальних складових для породження частинок Хіггса. Оскільки частинки Хіггса, неважливо, віртуальні чи реальні, важкі, вони швидко розпадуться на легші частинки, з якими бозон Хіггса взаємодіє найсильніше, тобто знов-таки правдиві чи красиві кварки або W– та Z-частинки. Вони, своєю чергою, розпадуться на інші частинки.

Фокус у тому, щоб розглядати події з найменшою кількістю вихідних частинок, які можна чітко зафіксувати, далі точно визначати їхні енергії й імпульси та зрозуміти, чи можна реконструювати низку подій, яка простежується до єдиної масивної проміжної частинки, для якої характерні взаємодії, передбачені для частинки Хіггса. Не хухри-мухри!

Ці ідеї були зрозумілі ще 1977 року, ще навіть до відкриття власне правдивого кварка (оскільки красивий кварк уже було відкрито, а всі інші кварки ходять слабкими парами, – верхній із нижнім, чарівний із дивним, – було очевидно, що має існувати ще один кварк, який, щоправда, було відкрито лише 1995 року і який важив аж у 175 разів більше за протон). Проте знати, що потрібно, і дійсно збудувати машину, здатну виконати цю роботу, – то є дві великі різниці.

Розділ 21 Готичні собори ХХІ століття

Станом як на 1978 рік (коли було підтверджено всі інші передбачення електрослабкої теорії), так і на 1983-й (коли було відкрито W– та Z-частинки) прискорення протонів до достатньо високих енергій для вивчення повного спектра всіх можливих мас бозона Хіггса набагато перевищувало можливості будь-якої з наявних машин. Для цього був потрібен прискорювач, принаймні на порядок потужніший за найпотужнішу з наявних машин. Іншими словами, не колайдер, а суперколайдер.

Сполучені Штати, які домінували в науці та техніці впродовж усього періоду після закінчення Другої світової війни, мали вагомі причини бажати збудувати таку машину. Зрештою, до 1984 року женевський ЦЕРН постав як панівна лабораторія в галузі фізики елементарних частинок у світі. Коли в ЦЕРН було відкрито і W-, і Z-частинку, американська гордість зазнала такого удару, що через шість днів після прес-конференції, на якій було оголошено про відкриття Z-частинки, газета «New York Times» надрукувала редакційну статтю під назвою «Європа – 3, США – навіть не нуль»!

Уже за тиждень після відкриття Z-бозона американські фізики вирішили скасувати спорудження прискорювача проміжної потужності на Лонг-Айленді та піти ва-банк. Вони вирішили збудувати велетенський прискорювач з енергією центру мас, майже в сотню разів більшою, аніж у SPS, що в ЦЕРН. Для цього їм були потрібні новітні надпровідні магніти, тож їхнє дитя дістало назву Надпровідного суперколайдера (SSC).

Після того, як 1983 року американська спільнота фізиків елементарних частинок виступила з пропозицією цього проекту, почалася традиційна мишача метушня різних штатів за урвання шматка велетенського фіскального пирога за його побудову та утримання. Після тривалих політичних і наукових перетягувань каната було обрано місце на південних околицях Далласу, штат Техас, у містечку Ваксахачі. Якими б не були мотиви цього рішення, Техас видавався напрочуд підходящим місцем, адже все, що стосувалося цього проекту, який 1987 року схвалив президент Рейган, було надвеликим.

Велетенський підземний тунель завдовжки 87 кілометрів мав стати найбільшим із будь-коли збудованих тунелів. Проект мав стати удвадцятеро більшим за будь-який інший фізичний проект, за який коли-небудь бралося людство. Запропонована енергія зіткнення пучків, кожен із яких повинен був мати енергію, у двадцять тисяч разів більшу за масу протона, мала б у сотню разів перевищувати енергію зіткнення, досягнуту машиною в ЦЕРН, у якій було відкрито W– та Z-частинки. Для цього були потрібні десять тисяч безпрецедентно потужних надпровідних магнітів.

Перевищення витрат, брак міжнародної кооперації, проблеми з економікою США та політичні махінації врешті-решт призвели до закриття проекту SSC у жовтні 1993 року. Я дуже добре пам’ятаю ті часи. Я тільки-но переїхав із Єлю до Західного резервного університету Кейса, де дістав посаду очільника фізичного факультету й мандат на його перебудову та найм упродовж п’яти років двадцятьох нових членів професорсько-викладацького складу. За перший рік після нашого оголошення про відкриття вакансій, у 1993–1994, ми отримали більше двохсот резюме від провідних науковців, які працювали над SSC, а тепер лишилися без роботи й будь-яких перспектив. Багато з них були дуже просунутими, з досвідом роботи на професорських посадах поважних університетів, які вони полишили задля роботи на вістрі прогресу. Це було дуже сумно, і більше половини з тих людей були змушені взагалі піти з цієї галузі.

Очікувана вартість проекту на момент його закриття 1993 року виросла з початкових 4,4 мільярда доларів, закладених у бюджет 1987 року, до 12 мільярдів. Хоча це були, та й зараз є величезні гроші, доцільність зупинки цього проекту викликає сумніви. На нього вже було витрачено 2 мільярди доларів, і було завершено будівництво двадцяти чотирьох кілометрів тунелю.

Рішення зупинити проект не було чорно-білим, проте, ухвалюючи його, слід було б звернути більшу увагу на кілька речей: від збитків, пов’язаних із втратою значної частки вихованих країною талановитих фахівців із фізики прискорювачів та експериментаторів у галузі фізики елементарних частинок до перекреслення багатьох нових проривів, які могли стати плодами витрат на розвиток високих технологій і принести користь нашій економіці. Мало того, якби SSC було збудовано та запущено в експлуатацію згідно з планами, ми вже десятиліття тому могли мати відповіді на експериментальні запитання, що стоять перед нами й досі. Чи вплинуло б наше знання цих відповідей на наші дії впродовж цього часу? Гадаю, що ми так цього й не дізнаємося.

Ці 12 мільярдів доларів були б витрачені за період у 10–15 років, упродовж спорудження комплексу та процедури його введення в експлуатацію, а отже, його вартість становила б десь близько мільярда на рік. За мірками федерального бюджету це невелика сума. Мої політичні погляди широко відомі, тож я нікого не здивую, якщо висловлю припущення, що, скажімо, США не стали б менш захищеними, якби урізали на цю суму свій роздутий щорічний оборонний бюджет, який від цього зменшився б менш ніж на відсоток. Ба більше, усі витрати на SSC, гадаю, були б порівнювані з витратами на кондиціювання повітря та транспортування вантажів у рамках нашого катастрофічного вторгнення в Ірак 2003 року, від якого постраждали наша загальна захищеність та загальний добробут. Тут я просто не можу ще раз не звернутися до свідчення перед Конгресом Роберта Вільсона щодо прискорювача у Фермілабі: «/Це нове знання/ ніяк безпосередньо не стосується захисту нашої країни, хіба що сприяє тому, що вона є гідною захисту».

Утім, це вже політичні, а не наукові питання, а за демократичного устрою Конгрес, який представляє народ, має право й несе відповідальність за визначення пріоритетності видатків на ті чи інші великі державні проекти. Спільнота фізиків елементарних частинок, можливо, просто занадто призвичаїлася до стабільного потоку грошей упродовж Холодної війни й не доклала необхідних зусиль для інформування громадськості й Конгресу щодо змісту та цілей цього проекту. Немає нічого дивного в тому, що в скрутні для економіки часи першою чергою урізають фінансування речей, що видаються занадто езотеричними. У той час я дивувався, чому було необхідно саме закрити проект замість призупинки його фінансування до покращення економічної ситуації чи розвитку технологій, які могли б зменшити його вартість. Ані тунель (який нині поступово заповнюється водою), ані будівлі лабораторій (нині зайняті хімічною компанією) нікуди б не поділися.

Попри такий розвиток подій у США, ЦЕРН рухався далі зі своєю новою машиною – Великим електронно-позитронним колайдером (LEP), розробленим задля детального вивчення фізичних властивостей W– та Z-частинок. Свіжоспечений Нобелівський лауреат, невгамовний Карло Руббіа, усіляко спонукав цей проект, і 1989 року, коли нову машину було запущено, став директором лабораторії.

27-кілометровий тунель викопали на глибині приблизно 100 метрів навколо старого SPS, який тепер використовують для випускання електронів і позитронів у більше кільце, де вони далі розганяються до величезних енергій. Ця машина, розташована на околицях Женеви, була настільки велика, що перетинала під горами Юра французький кордон. Європейці краще знаються на тунелях, аніж американці, тож, коли тунель було завершено, його кінці зійшлися з точністю до одного сантиметра. Мало того, ЦЕРН як міжнародний спільний проект багатьох країн не вплинув суттєво на ВВП жодної з них.

Нова машина успішно працювала понад десятиліття, а після колапсу американського проекту SSC велетенський тунель LEP стали розглядати як кандидата на створення його зменшеної версії – далеко не настільки потужної, проте достатньо високоенергетичної для дослідження більшої частини простору параметрів, у якому могла існувати частинка Хіггса, про яку так довго казали фізики. Певну конкуренцію склала збудована у Фермілабі машина під назвою «Теватрон», яку експлуатували з 1976 року, а 1984 року вона вийшла на рівень потужності, який зробив її найвисокоенергетичнішою протонно-антипротонною машиною у світі. Станом на 1986 рік енергія зіткнення протонів і антипротонів, що кружляли 6,5-кілометровим кільцем із надпровідних магнітів у Фермілабі, досягла позначки майже у дві тисячі еквівалентів енергії маси спокою протона.

Проте якою б значною ця величина не була, її було замало для дослідження більшої частини доступного частинці Хіггса діапазону параметрів, і для її відкриття в «Теватроні» природа мала б явити милість. Утім, на рахунку «Теватрона» усе-таки був один видатний успіх – довгоочікуване відкриття 1995 року велетенського правдивого кварка, який у 175 разів важчий за протон і наразі залишається наймасивнішою з виявлених у природі елементарних частинок.

За відсутності, таким чином, видимої конкуренції впродовж чотирнадцяти місяців після закриття SSC рада ЦЕРН схвалила будівництво в тунелі LEP нової машини – Великого адронного колайдера (LHC). Проектування й розробка нової машини та її детекторів потребувала певного часу, тож LEP продовжував працювати у своєму тунелі ще майже шість років, а тоді мав закритися на реконструкцію. Після цього на завершення спорудження нової машини та детекторів частинок, які повинні були використовувати для пошуку бозона Хіггса та/або іншої нової фізики, мало піти ще майже десять років.

Це, звісно, за умови, якщо працездатну машину та надійні детектори взагалі можна було збудувати. Це було найскладніше інженерне завдання, до якого коли-небудь приступали люди. Проектні специфікації надпровідних магнітів, обчислювальних центрів та інших аспектів машини й детекторів вимагали технологій, значно досконаліших за будь-які з наявних на той час.

На концептуальне проектування машини пішов цілий рік, а ще за рік було схвалено два спільні проекти головних експериментальних детекторів. США, чиї коні в цьому забігу участі не брали, були допущені до ЦЕРН як країна-«спостерігач», що дало змогу американським фізикам відіграти ключову роль у проектуванні й розробці детекторів. 1998 року спорудження каверни, у якій мав розташовуватися один із головних детекторів, CMS, було затримано на шість місяців, оскільки робітники виявили на будмайданчику галло-романські руїни IV століття нашої ери з віллою та навколишніми полями.

Велетенські каверни, у яких під землею розташовуватимуться обидва головні детектори, були закінчені через чотири з половиною роки. Упродовж наступних двох років під землю в спеціальну шахту опустили 1232 велетенські магніти, кожен завдовжки п’ятнадцять метрів і вагою 35 тонн, які потім доставляли на місця призначення за допомогою спеціально розробленого транспортного засобу, здатного переміщатися тунелем. Ще за рік свої місця зайняли останні деталі двох великих детекторів, і о 10:28 ранку 10 вересня 2008 року машину було вперше офіційно увімкнено.

Через два тижні сталося лихо. В одному зі з’єднань одного з магнітів сталося замикання, унаслідок чого цей надпровідниковий магніт повернувся до нормального стану, вивільнивши велетенську кількість енергії, що спричинило механічні пошкодження та частковий витік рідкого гелію, який використовували для охолодження машини. Пошкодження були настільки значними, що знадобилися перепроектування та перевірка кожного зварного шва та з’єднання LHC, на що пішло більше року. У листопаді 2009-го LHC нарешті ввімкнули знову, проте з міркувань безпеки його потужність встановили на рівні семи тисяч енергій центра мас протона замість чотирнадцяти тисяч. 19 березня 2010 року машина нарешті запрацювала із зустрічними пучками цієї меншої енергії, і за два тижні обидва набори детекторів почали фіксувати зіткнення з відповідною сумарною енергією.

Ця проста хронологія приховує неймовірні труднощі, пов’язані з технологічними звитягами, досягнутими в ЦЕРН упродовж п’ятнадцяти років відтоді, як було запропоновано ідею цієї машини. Якщо приземлитися в аеропорту Женеви й озирнутися навколо, побачите тиху сільську місцевість і далекі гори. Без підказки ніхто нізащо не здогадається, що під цією сільською місцевістю розташована найскладніша машина з усіх коли-небудь збудованих людством. Ось кілька характеристик цієї машини, яка перебуває під цим тихим пасторальним краєвидом на глибині, яка подеколи сягає 175 метрів:

1. У тунелі завширшки 3,8 метра на 27 кілометрів розтягнулися два паралельні кругові пучкові канали, що перетинаються в чотирьох точках кола. Уздовж кільця розставлено понад 1600 надпровідних магнітів, більшість із яких важить понад 27 тонн. Тунель настільки довгий, що, дивлячись уздовж нього, практично неможливо побачити його кривизну:

2. 96 тонн надтекучої рідини ⁴He використовують для того, щоб тримати температуру магнітів на рівні менш ніж двох градусів вище від абсолютного нуля, що холодніше за температуру фонової радіації в глибинах міжзоряного простору. Загалом використовують 120 тонн рідкого гелію, які спершу охолоджують десятьма тисячами тонн рідкого азоту. Довелося зробити приблизно сорок тисяч герметичних трубних з’єднань. Об’єм використовуваного гелію робить LHC найбільшою кріогенною установкою у світі.

3. Вакуум у пучкових каналах має бути розрідженіший за вакуум у відкритому космосі, у якому опиняються астронавти під час виходів із МКС, а його тиск – удесятеро нижчий за атмосферний тиск на Місяці. Найбільший об’єм LHC, у якому досягнуто такого рівня вакууму, налічує дев’ять тисяч кубометрів, що порівнянне з внутрішнім об’ємом великого собору.

4. Протони, що розганяються тунелем в обох напрямках, рухаються зі швидкістю 0,999999991с, себто лише на три метри за секунду повільніше за швидкість світла. Енергія, яку несе кожен із протонів, що беруть участь у зіткненнях, еквівалентна енергії летючого москіта, проте вона стиснута в радіусі, у мільйон мільйонів разів меншому за довжину тіла москіта.

5. Кожен пучок протонів розбивається по всій довжині кільця на 2808 окремих згустків, у кожному з яких налічується 115 мільярдів протонів і які в точках зіткнень стискаються до приблизно чверті ширини людської волосини, за рахунок чого маємо зіткнення пучків раз на одну двадцятип’ятимільярдну частку секунди та більш ніж 600 мільйонів зіткнень частинок щосекунди.

6. Обчислювальний ґрід, розроблений для обробки даних із LHC, є найбільшим у світі. Об’єм сирих даних, що генерується LHC щосекунди, достатній, щоб заповнити понад тисячу терабайтних жорстких дисків. Перед аналізом цей об’єм треба суттєво зменшити. За результатами 6 мільйонів мільярдів протонно-протонних зіткнень, проаналізованих упродовж лише 2012 року, було оброблено понад двадцять п’ять тисяч терабайтів даних – це більше, ніж кількість інформації у всіх коли-небудь написаних книгах, і для її зберігання знадобився б стос компакт-дисків заввишки майже двадцять кілометрів. Для цього було створено всесвітній обчислювальний ґрід, який охоплює 170 комп’ютерних центрів у 36 країнах. Коли машина працює, щосекунди генерується приблизно сімсот мегабайтів даних.

7. Вимоги до 1600 магнітів щодо створення достатньо інтенсивних для зіткнень пучків еквівалентні вимогам вистрілити назустріч одна одній двома голками з відстані десяти кілометрів із такою точністю, щоб вони зіткнулися точно посередині між позиціями стрільців.

8. Пучки зорієнтовано настільки точно, що необхідно брати до уваги припливні коливання кільця, спричинені гравітацією Місяця в процесі його переміщення над Женевою, унаслідок чого довжина тонелю LHC щодня змінюється на один міліметр.

9. Неймовірно інтенсивні магнітні поля, необхідні для керування протонними пучками, створюють шляхом пропускання через кожен із надпровідних магнітів струму потужністю майже 12 тисяч амперів, що приблизно у 120 разів перевищує струм, що протікає через пересічний сімейний будинок.

10. На створення магнітних котушок LHC пішло 270 тисяч кілометрів жил кабелів, що майже в шість разів перевищує довжину земного екватора. Якщо розгорнути й скласти докупи всі волокна в цих жилах, вони простягнуться від Землі до Сонця й назад більш ніж п’ять разів.

11. Сумарна енергія кожного пучка приблизно така сама, як у 400-тонного поїзда, що рухається зі швидкістю 150 км/год. Цієї енергії достатньо для розтоплення 500 кг міді. У надпровідних магнітах міститься в 30 разів більше енергії.

12. Навіть із використанням надпровідникових магнітів, які роблять рівень енергоспоживання машини прийнятним, під час роботи вона споживає приблизно таку ж кількість енергії, скільки всі домогосподарства Женеви разом узяті.

Це щодо самої машини. Для аналізу зіткнень у LHC було збудовано розмаїття великих детекторів. Кожен із чотирьох нині наявних детекторів не поступається розміром солідній офісній будівлі, а складністю – великій лабораторії. Коли отримуєш нагоду спуститися під землю та побачити ці детектори, починаєш почуватися Гуллівером у країні велетнів. Розміри абсолютно всіх компонентів вражають. Ось фото детектора CMS, меншого з двох найбільших детекторів LHC:

Якщо стояти біля самого детектора, складно навіть поглядом охопити всю картину, як видно на цьому, ближчому плані:

Складність машин майже не піддається розумінню. Теоретику на кшталт вашого покірного слуги важко уявити, яким чином якась певна група фізиків може просто тримати такий пристрій під наглядом, не кажучи вже про його розробку та побудову згідно з вкрай строгими специфікаціями.

Кожен із двох найбільших детекторів, ATLAS та CMS, був збудований спільними зусиллями понад двох тисяч науковців. Загалом у спорудженні машини та її детекторів брали участь більш ніж десять тисяч науковців та інженерів із понад сотні країн. Візьмемо менший із двох детекторів, CMS. Він сягає понад двадцять метрів завдовжки, п’ятнадцять метрів заввишки та п’ятнадцять метрів завширшки. На виготовлення детектора пішло 12 500 тонн заліза – більше, ніж на Ейфелеву вежу. Коли детектор проходить огляд, його половини розходяться на кілька метрів. Попри те, що в них немає коліс, коли ввімкнути потужне магнітне поле детектора в разі розведення половин, то їх притягне одна до одної.

Кожний детектор складається з мільйонів деталей: датчиків, здатних вимірювати траєкторії частинок із точністю до десятимільйонних часток метра; калориметрів, що з високою точністю фіксують накопичену в детекторах енергію; та приладів для вимірювання швидкості частинок шляхом вимірювання випущеного ними у випадку проходження крізь детектор випромінювання. У ході кожного зіткнення можуть породжуватися сотні або й тисячі окремих частинок, і для реконструкції кожної такої події детектор повинен відстежувати майже всі породжені частинки.

Четвертим генеральним директором ЦЕРН у 1961–1966 роках був фізик Віктор Вайскопф, який порівнював тогочасні велетенські прискорювачі з готичними соборами середньовічної Європи. Це порівняння є напрочуд цікавим у випадку ЦЕРН та LHC.

Готичні собори були вершиною тогочасних технологій, вимагаючи створення нових методів будівництва та нових інструментів. Сотні й навіть тисячі вправних майстрів із десятків країн будували їх впродовж багатьох десятиліть. На їхньому тлі всі інші збудовані досі споруди здавалися карликовими. І будували їх із дуже «практичною» метою звеличення слави Божої.

LHC – найскладніша з усіх коли-небудь збудованих машин, і вона вимагала створення нових методів будівництва та нових інструментів. Побудова прискорювача та детекторів для моніторингу його роботи вимагала спільних зусиль тисяч науковців та інженерів із докторськими ступенями, які були уродженцями сотень країн, розмовляли кількома десятками мов та походили з культур, що сповідували щонайменше стільки ж релігій – і їм знадобилося майже два десятиліття, щоб завершити цю роботу. На тлі його масштабів усі інші збудовані досі машини здаються карликовими. І зводили його з дуже «практичною» метою – звеличення й дослідження краси природи.

З цієї точки зору і собори, і колайдер є пам’ятниками найкращій рисі людської цивілізації – здатності та волі до вигадування й спорудження об’єктів такого масштабу та складності, які вимагають співпраці незліченної кількості людей, якщо потрібно, з усіх куточків світу заради перетворення нашого благоговіння та захоплення устроєм космосу на щось конкретне, здатне покращити умови людського існування. Колайдери й собори є витворами порівняної величі, що звеличують людський досвід у різних сферах. Утім, на мою думку, LHC виграє, і його успішне спорудження впродовж двох десятиліть яскраво демонструє, що ХХІ століття поки що не позбавлене культури та уяви.

Це нарешті виводить мене на стежку, яка веде до 4 липня 2012 року.

Станом на 2011 рік, за висловом одного з посадовців ЦЕРН, LHC розвинув крейсерську швидкість. Обсяг даних, зібраних станом на жовтень того року, уже в чотири мільйони разів перевищував обсяг, зібраний упродовж першого запуску у 2010 році, та в тридцять разів – обсяг, накопичений на початок 2011 року.

На цьому етапі збору даних, на які фізики чекали сорок років, спільнотою почали поширюватися різні чутки. Джерелами багатьох із них були самі ж експериментатори. Я працюю на півставки в Австралійському національному університеті в Канберрі, і в липні 2012 року в Мельбурні мала проходити Міжнародна конференція з фізики високих енергій. Мельбурнська LHC-спільнота вельми велика, тож під час відвідин цього міста я постійно чув, що в ході експериментів викреслюється все більша й більша частина діапазону можливих мас бозона Хіггса.

Багатьом експериментаторам гріє душу можливість довести, що теоретики помилися. Так було й цього разу. Менш ніж за шість місяців до конференції одна експериментаторка захоплено розповідала мені, що вони відкинули майже весь можливий діапазон маси бозона Хіггса за винятком вузенького сегмента між 120 і 130 масами протона. Вона сподівалася, що до липня їм вдасться відкинути й цей сегмент теж. Оскільки я був одним із тих, хто скептично ставився до ідеї Хіггса, почув це не без задоволення. Але хай там як, я активно готував статтю, у якій пояснював, чому частинка Хіггса не може існувати.

П’ятого квітня ситуація стала ще цікавішою, оскільки енергія центра мас пучка LHC трохи зросла, досягши позначки у 8 тисяч енергій спокою протона. Це означало збільшення потенціалу для відкриття нової частинки. У середині червня було оголошено, що очільники двох головних експериментів разом із генеральним директором ЦЕРН не приїдуть до Мельбурна на конференцію, а натомість оголошуватимуть результати вранці 4 липня дистанційно в рамках телеконференції, влаштованої в головній конференц-залі ЦЕРН – тій самій, де Руббіа оголосив про відкриття W-частинок.

Четвертого липня я був на зустрічі фізиків в Аспені, штат Колорадо. З огляду на важливість прийдешнього оголошення, тамтешня фізична спільнота облаштувала екран для прямої телевізійної трансляції, аби о 1-й годині ночі ми всі змогли сісти та спостергіати, як твориться історія. У темній кімнаті в Аспенівському фізичному центрі нас зібралося п’ятнадцятеро – переважно фізики, проте було й кілька журналістів, серед них Денніс Овербай із «New York Times», свідомий того, що йому доведеться писати до глупої ночі. Мені, як виявилося, теж. «Times» попросили мене написати есе для наступного випуску розділу «Science Times» у разі, якщо все пройде, як очікували.

А тоді почалося шоу, і впродовж наступних 45 чи десь так хвилин доповідачі презентували дані з обох великих детекторів, які переконливо засвідчували існування нової елементарної частинки з масою приблизно 125 мас протона. Після стартової катастрофи 2009 року LHC, і зокрема обидва його детектори, працював неомильно. Упродовж перших місяців його роботи мене й багатьох моїх колег вразила бездоганна чіткість результатів, показаних детекторами щодо відомих фонових процесів. Тож нас зовсім не здивувало, що з появою чогось нового детектори виявляли його, навіть попри неймовірно складне середовище, у якому їм доводилося працювати.

Мало того, шукану частинку було виявлено саме в тих каналах розпаду, які були передбачені для бозона Хіггса Стандартної моделі. Відношення розпадів на фотони (через проміжні правдиві кварки чи W-бозони) до розпадів на частинки на кшталт електронів (через проміжні Z-бозони) більш-менш відповідало передбаченням, як і обсяги породження нових частинок у протонно-протонних зіткненнях. Серед проаналізованих на той момент двома детекторними командами мільярдів і мільярдів зіткнень було виявлено близько п’ятдесяти кандидатів на утворення бозона Хіггса. Для більш певної ідентифікації було необхідно провести ще багато перевірок, проте якщо воно ходило, як бозон Хіггса, і крякало, як бозон Хіггса, це, імовірно, був бозон Хіггса. Докази були достатньо переконливі, щоб у жовтні 2013 року, у перший же рік після проголошеного відкриття, Франсуа Анґлеру й Пітеру Хіггсу було присуджено Нобелівську премію.

У лютому 2013 року LHC вимкнули й модифікували так, щоб він нарешті міг працювати з передбаченою проектом енергією та світлосилою. В останні тижні перед вимкненням системи збереження даних великої ємності ЦЕРН накопичили понад сто петабайтів даних – це більше інформації, ніж можуть умістити 100 мільйонів компакт-дисків. На основі даних, які ще не були проаналізовані на момент першого оголошення, надходили все нові й нові результати (зокрема вкрай інтрижні натяки на можливе існування нової та неочікуваної важкої частинки, ушестеро важчої за бозон Хіггса, – натяки, які розвіялися перед самим відправленням цієї книги в тираж).

У випадку справжнього відкриття чим більше у вас даних, тим краща картина, тоді як аномальні результати схильні з плином часу зникати. Цього разу картина була дуже гарна, майже занадто гарна. Якщо порівняти п’ять різних передбачених каналів розпаду на фотони, Z-частинки, W-частинки, тау-частинки (найважчий відомий побратим електрона) та частинки, що містять чудові кварки, з результатами спостережень, то виявиться, що передбачення бозона Хіггса згідно зі Стандартною моделлю без додаткових складових виявилися разюче точними.

Виходячи з кутового розподілу та енергій продуктів розпаду й на основі нової більшої вибірки подій-кандидатів на утворення бозона Хіггса, детектори LHC дістали змогу дослідити, чи була виявлена частинка скалярною, що зробило б її першим коли-небудь виявленим у природі фундаментальним скаляром. 26 березня 2015 року детектор ATLAS у ЦЕРН видав результати, які з більш ніж 99-відсотковою упевненістю свідчили, що нова частинка була частинкою з нульовим спіном і точно таким значенням парності, яке відповідало скаляру Хіггса. Природа довела, що, усупереч, зокрема, моїм переконанням, вона не цурається скалярних полів на кшталт поля Хіггса. Існування такого фундаментального скаляра багато що змінює в плані того, що взагалі можливе в природі, і люди, зокрема я, почали розглядати сценарії, які доти нізащо не спали б нам на думку.

У вересні 2015 року, приблизно за місяць до закінчення першого чорнового рукопису цієї книги, два великі детектори ATLAS та CMS об’єднали свої дані за 2011 і 2012 роки та вперше презентували уніфіковане порівняння теорії з експериментом. Результат, що вимагав титанічних обчислювальних зусиль для врахування в кожному експерименті окремих систематичних впливів, які сумарно описувалися чотирмастами двадцятьма параметрами, засвідчив із залишковою невизначеністю близько 10 %, що нова частинка мала всі властивості, передбачені для бозона Хіггса в рамках Стандартної моделі.

Цей простий висновок може здатися нудним на тлі всього, що йому передувало, а це півстоліття цілеспрямованих зусиль тисяч людей: теоретиків, які розробили Стандартну модель, та всіх інших, хто виконував неймовірно складні розрахунки, необхідні для порівняння передбачень із даними експериментів, визначення фонових величин тощо, а також тисяч фізиків-експериментаторів, які збудували, відтестували та керували найскладнішою з будь-коли збудованих машин. Їхня оповідь супроводжувалася досягненням неймовірних висот інтелектуальної мужності, роками збентеження, невезінням та проникливістю, суперництвом та пристрастю, а понад усе – наполегливістю спільноти, зосередженої на єдиній меті: зрозуміти природу в її найфундаментальніших масштабах. Як усіляка людська драма, вона містила свою частку заздрощів, упертості та марнославства, проте, що найважливіше, у ній брала участь унікальна спільнота, що склалася абсолютно незалежно від етнічної належності, мови, релігії чи статі. Це оповідь, що несе в собі драматизм найкращих епосів та є відображенням усього найкращого, що тільки здатна запропонувати сучасній цивілізації наука.

Мене не перестане вражати той факт, що природа виявилася настільки милостивою, щоб насправді послуговуватися ідеями, які записала на папері невеличка група людей, котрі черпали натхнення з абстрактних ідей симетрії та послуговувалися математикою квантової теорії поля. Украй важко висловити ту суміш захоплення та жаху, яка супроводжує усвідомлення, що природа, не виключено, працює саме так, як ти припускаєш, вносячи останні штрихи до своєї статті, імовірно, глупої ночі сам-один у своєму кабінеті. Гадаю, це може бути схожим на описану Платоном реакцію його нещасних філософів, коли їх уперше витягають на сонце з їхньої печери.

Відкриття того факту, що природа насправді дотримується простих та вишуканих правил, які інтуїтивно осягнули новітні Платонові філософи ХХ та ХХІ століть, одночасно шокує й заспокоює. Воно натякає на те, що готовність науковців будувати інтелектуальний картковий будиночок, який може зруйнувати найменший експериментальний струс, не була помилкою. Воно надає нам мужність продовжувати вважати, як одного разу захоплено висловився з цього приводу Ейнштейн, що всесвіт на своєму найграндіознішому масштабі все-таки піддається пізнанню.

Четвертого липня 2012 року, ставши свідком оголошення про відкриття бозона Хіггса, я написав таке: «Можливо, безсумнівно підтверджене відкриття бозона Хіггса не приведе до появи кращого тостера чи швидшої автівки. Проте воно є видатним уславленням здатності людського розуму розкривати таємниці природи та технології, а також керувати й контролювати їх.

У тому, що на перший погляд здається порожнечею, просто-таки нічим, яке стає дедалі цікавішим, ховаються саме ті елементи, завдяки яким існуємо ми з вами.

Яскраво продемонструвавши це, зроблене минулого тижня відкриття змінить наші погляди на самих себе та наше місце у всесвіті. Це, безсумнівно, є фірмовою ознакою видатної музики, видатної літератури, видатного образотворчого мистецтва… та видатної науки».

Наразі зарано судити чи навіть повною мірою оцінювати, що` зміниться в нашій картині реальності внаслідок відкриття в LHC бозона Хіггса чи якихось можливих подальших відкриттів. Проте фортуна всміхається-таки підготовленому розуму, і роздуми про це є одночасно обов’язком та радістю для теоретиків на кшталт вашого покірного слуги.

Хоча може здатися, що цього разу природа проявила до нас свою милість, вона, можливо, виявилася аж надто доброю. Викладена тут епічна сага ще здатна кинути фізиці й фізикам новий ефектний виклик, неприховано нагадавши, що природа існує не для того, щоб нам було комфортно. Адже в той час, як ми, схоже, знайшли те, що очікували, насправді ніхто не очікував знайти лише це й більше нічого…

Розділ 22 Запитань більше, ніж відповідей

У певному сенсі нашу оповідь можна було б на цьому закінчити, оскільки ми досягли межі нашого безпосереднього емпіричного знання про всесвіт у його фундаментальних масштабах. Але ніхто не каже, що нам слід перестати мріяти, навіть якщо наші мрії не завжди приємні. До липня 2012 року фізиків елементарних частинок мучили два нічні кошмари. Перший – що LHC не виявить зовсім нічого. Якби так сталося, він напевне став би останнім великим прискорювачем, збудованим задля дослідження фундаментальної будови космосу. Другий кошмар полягав у тому, що LHC виявить бозон Хіггса… і все.

Щоразу, як знімається один шар реальності, на горизонті починають майоріти наступні. Тож загалом кожне важливе нове досягнення науки ставить більше запитань, аніж дає відповідей. Проте воно також зазвичай дає нам принаймні нариси плану подальших дій, які можуть підказати, як почати пошук відповідей на ці запитання. Відкриття бозона Хіггса, а заодно й підтвердження існування в просторі невидимого фонового поля Хіггса стали ґрунтовним підтвердженням зухвалих наукових досягнень ХХ століття.

Проте досі не втратили актуальності слова Шелдона Ґлешоу: бозон Хіггса подібний до туалету. Він приховує всі неприємні подробиці, про які краще не згадувати. Поле Хіггса при всій своїй вишуканості в рамках Стандартної моделі є, по суті, імпровізованим додатком. Його додали до теорії задля коректного моделювання світу наших чуттів. Проте теорія не вимагає його існування. Усесвіт міг би спокійно собі існувати й без далекосяжної слабкої сили та безмасових частинок. Хіба що ми не існували б, щоб ними перейматися. Мало того, вище було показано, що детальні фізичні властивості бозона Хіггса в рамках самої лише Стандартної моделі невизначені. Бозон Хіггса міг би спокійно бути вдвадцятеро важчим чи в сотню разів легшим.

Чому ж тоді бозон Хіггса взагалі існує? І чому він має таку масу, яку має? (Знов-таки будемо свідомі того, що, коли науковці питають «Чому?», насправді мають на увазі «Яким чином?») Якби бозон Хіггса не існував, не існував би світ, який ми бачимо, проте, звісно, це не пояснення. Чи все-таки пояснення? Урешті-решт розуміння базисної фізики, яка лежить в основі бозона Хіггса, еквівалентне розумінню того, як так сталося, що існуємо ми. Запитання «Чому ми існуємо?» на фундаментальному рівні еквівалентне запитанню «Чому існує бозон Хіггса?» І Стандартна модель не дає відповіді на це запитання.

Утім, деякі підказки, одержані з поєднання теорії з експериментом, усе-таки є. 1974 року, невдовзі після укорінення фундаментальної структури Стандартної моделі та задовго до експериментального підтвердження всіх її подробиць упродовж наступного десятиліття, у Гарварді, де тоді працювали і Ґлешоу, і Вайнберґ, дві різні групи фізиків помітили дещо цікаве. Ґлешоу на пару з Говардом Джорджі зробили те, що Ґлешоу вмів робити найкраще: почали шукати закономірності серед наявних частинок і сил та відшукувати нові можливості за допомогою математики теорії груп.

Згадаймо, що в Стандартній моделі слабка й електромагнітна сили об’єднані на високоенергетичному масштабі, проте в спостережуваних масштабах, коли симетрія спонтанно порушується конденсатом поля Хіггса, маємо дві окремі та чітко відмінні сили, причому слабка сила стає близькодійною, а електромагнітна залишається далекосяжною. Джорджі та Ґлешоу спробували розширити цю ідею, додавши сильну силу, та виявили, що всі відомі частинки та три негравітаційні сили можна природним чином вмістити в єдину фундаментальну структуру симетрії більшого калібрування. Далі вони припустили, що ця фундаментальна симетрія може спонтанно порушуватися на деякому надвисокому енергетичному та малому лінійному масштабі, який лежить далеко поза межами досяжності поточних експериментів, унаслідок чого утворюються окремі сильна та електрослабка сили. Відповідно, на меншому енергетичному та більшому лінійному масштабі порушується електрослабка симетрія, розділяючись на близькодійну слабку й далекосяжну електромагнітну сили.

Вони скромно назвали цю теорію теорією Великого об’єднання (ТВО).

Приблизно в той же час Вайнберґ і Джорджі разом із Гелен Квінн помітили дещо цікаве, що випливало з праці Вільчека, Ґросса та Поліцера. Тоді як сильна взаємодія в міру її вимірювання на все менших лінійних масштабах слабшала, електромагнітна та слабка взаємодії сильнішали.

Не треба було бути науковцем-ракетником, щоб замислитися, чи не стають сили цих трьох різних взаємодій ідентичними на якомусь малому лінійному масштабі. Виконавши обрахунки, вони виявили (з точністю тодішніх вимірювань сили взаємодій), що таке об’єднання можливе, проте лише в тому випадку, коли розмірність об’єднання приблизно на п’ятнадцять порядків менша за розмір протона.

У разі, якщо об’єднана теорія була теорією, яку запропонували Джорджі та Ґлешоу, то були гарні новини, оскільки, якщо об’єднати всі спостережувані в природі частинки в цій новій групі великого калібрування, мають існувати нові калібрувальні бозони, які породжують переходи між кварками (з яких складаються протони й нейтрони) та електронами й нейтрино. Це означало б, що протони можуть розпадатися на інші, легші частинки. Як висловився з цього приводу Ґлешоу, «діаманти не вічні».

Навіть тоді вже було відомо, що протони мають неймовірно тривалий час життя. І не лише тому, що ми продовжуємо існувати, хоча від Великого вибуху минуло майже 14 мільярдів років, а ще й тому, що ми всі не помираємо від раку ще дітьми. Якби середній час існування протонів був менший за мільярд мільярдів років, за час нашого дитинства в наших тілах розпалася б кількість протонів, якої вистачило б для породження достатньої кількості радіації, щоб нас убити. Згадаймо, що у квантовій механіці всі процеси мають імовірнісний характер. Якщо середній протон живе мільярд мільярдів років, то, якщо хтось складається з мільярда мільярдів протонів, у середньому щорічно розпадатиметься один із них. А наші тіла містять значно більше, ніж мільярд мільярдів протонів.

Проте з огляду на неймовірно малу запропоновану лінійну розмірність, а отже, неймовірно велику розмірність маси, пов’язану зі спонтанним порушенням симетрії у ТВО, нові калібрувальні бозони повинні б мати великі маси. Це зробило б переносимі ними взаємодії настільки близькодійними, що на нинішніх масштабах протонів і нейтронів вони були б неймовірно малими. Як наслідок, тоді як протони здатні розпадатися, згідно з цим сценарієм вони можуть існувати до розпаду десь близько мільйона мільярдів мільярдів мільярдів років. Жодних проблем.

У зв’язку з результатами Ґлешоу та Джорджі, а також Джорджі, Квінн та Вайнберґа в повітрі запахло великим синтезом. Після успіху електрослабкої теорії фізики елементарних частинок почувалися амбітними та готовими до подальших об’єднань.

Проте хто сказав, що ці ідеї слушні? Побудувати прискорювач для дослідження енергетичного масштабу у мільйон мільярдів разів більшого за енергію маси спокою протона, просто неможливо. Кільце такої машини повинно мати довжину орбіти Місяця. І навіть якби це було можливо, то з огляду на попередню катастрофу із SSC жоден уряд нізащо не виписав би такий чек.

На щастя, був інший спосіб із використанням ймовірнісних аргументів на кшталт тих, які я навів вище, описуючи час життя протонів. Якщо ця нова теорія Великого об’єднання передбачить, що час життя протона становить, скажімо, тисячу мільярдів мільярдів мільярдів років, то, якщо знайти спосіб помістити в один детектор тисячу мільярдів мільярдів мільярдів протонів, у середньому щороку розпадатиметься один із них.

Де взяти стільки протонів? Дуже просто: у приблизно трьох тисячах тонн води.

Отже, було потрібно лише взяти бак із, скажімо, трьома тисячами тонн води, помістити його в темряву, пересвідчитися у відсутності радіоактивного фону, розставити навколо чутливі фотоелементи, здатні зафіксувати спалахи світла в детекторах, а тоді почекати рік, виглядаючи спалах світла, що супроводжуватиме розпад протона. Яким би складним не здавалося це завдання, принаймні два великі експерименти збудували й ввели в експлуатацію саме з такою метою, один – глибоко під землею в соляній шахті поблизу озера Ері, а другий – у шахті поблизу Каміоки (Японія). Шахти були необхідні для екранування від зовнішніх космічних променів, які створили б радіаційний фон, що заглушив би всі сигнали розпаду протона.

Обидва експерименти почали збирати дані десь у 1982–1983 роках. Велике об’єднання здавалося настільки привабливим, що фізична спільнота була певна: незабаром буде отримано сигнал і ВО ознаменує собою кульмінацію десятиріччя приголомшливих змін та відкриттів у галузі фізики елементарних частинок (не рахуючи Нобелівської премії Ґлешоу і, можливо, ще декому).

На жаль, цього разу природа виявилася не такою доброю. Ані на першому, ані на другому, ані на третьому році не було зафіксовано жодних сигналів. Найпростіша елегантна модель, яку запропонували Ґлешоу та Джорджі, досить швидко була відкинута. Проте, заразившись ідеєю Великого об’єднання, було нелегко її позбутися. Були запропоновані інші варіанти об’єднаних теорій, які могли пояснити пригнічення протонного розпаду поза межі поточних експериментів.

Проте 23 лютого 1987 року сталася інша подія, що підтвердила максиму, котра, як я мав можливість переконатися, є майже універсальною: щоразу, як ми відкриваємо нове вікно у всесвіт, на нас чекає несподіванка. Того дня група астрономів на відзнятих за ніч фотографічних пластинах угледіла найближчий за майже чотириста років вибух зірки (наднової). Ця зірка перебувала на відстані приблизно 160 000 світлових років у Великій Магеллановій Хмарі – маленькій галактиці-супутнику Чумацького Шляху, яку можна спостерігати в Південній півкулі.

Якщо наші уявлення стосовно зірок, що вибухають, слушні, то, попри те, що випромінене видиме світло настільки яскраве, що ті наднові (з частотою приблизно одного вибуху на сто років на галактику) є найяскравішими космічними феєрверками в небі, більша частина виділеної при цьому енергії повинна виділятися у формі нейтрино. Згідно з грубими оцінками, величезні водяні детектори ІМБ (Ірвайн – Мічиган – Брукхейвен) та «Каміоканде» мали зафіксувати приблизно двадцять нейтринних подій. Тоді експериментатори з проектів ІМБ та «Каміоканде» переглянули дані за той день, і – вуаля! – ІМБ зафіксував впродовж 10-секундного інтервалу вісім подій-кандидатів, а «Каміоканде» – одинадцять. За мірками світу фізики нейтрино це була просто-таки повінь даних. На основі цих дев’ятнадцяти подій фізики на кшталт мене, які збагнули, що перед ними відкрилися безпрецедентне вікно в ядро наднової й лабораторія не лише для астрофізики, а й для фізики самих нейтрино, написали, мабуть, 1900 статей.

Пришпорені усвідомленням, що великі детектори протонних розпадів можна одночасно використовувати ще й як нові астрофізичні детектори нейтрино, кілька груп почали будувати такі детектори подвійного призначення нового покоління. Найбільший такий детектор у світі було збудовано знову ж таки в шахті біля Каміоки й названо «Супер-Каміоканде», причому небезпідставно. Цей велетенський бак на 50 тисяч тонн води, оточений 11 800 фотоелементами, працював у шахті, проте в рамках експерименту підтримували чистоту лабораторної стерильної кімнати. Це було абсолютно необхідно, оскільки в роботі з детектором такого розміру хвилюватися доводилося не лише щодо зовнішніх космічних променів, а й щодо внутрішніх радіоактивних забруднювачів води, здатних заглушити всі шукані сигнали.

Водночас упродовж цього періоду нового зеніту досяг інтерес до спорідненої астрофізичної нейтринної сигнатури. Сонце виробляє нейтрино за рахунок ядерних реакцій у своєму ядрі, які його живлять, і впродовж двадцяти років Рей Девіс, використовуючи величезний підземний детектор, фіксував сонячні нейтрино, проте стабільно фіксував частоту подій, приблизно втричі меншу за теоретично передбачену на основі найкращих моделей Сонця. Тож у глибокій шахті в канадському Садбері було збудовано детектор сонячних нейтрино нового типу, який став відомий як Садберійська нейтринна обсерваторія (SNO).

Наразі «Супер-Каміоканде», який пережив різноманітні вдосконалення, майже безперервно пропрацював упродовж 20 років. За цей час не було зафіксовано ані жодного сигналу протонного розпаду, ані нових вибухів наднових. Проте високоточні спостереження нейтрино на цьому величезному детекторі в поєднанні з комплементарними спостереженнями в SNO, впевнено засвідчили: брак сонячних нейтрино, що їх зафіксував Рей Девіс, дійсно існує, мало того, він спричинений не астрофізичними ефектами на Сонці, а властивостями нейтрино. Принаймні один із трьох відомих типів нейтрино не є безмасовим, хоча його маса дійсно дуже мала, десь у сто мільйонів разів менша за масу наступної найлегшої частинки природи – електрона. Оскільки Стандартна модель не враховує маси нейтрино, це було перше переконливе спостереження того, що в природі діє якась нова фізика, що виходить за межі як Стандартної моделі, так і моделі Хіггса.

Невдовзі після цього спостереження за високоенергетичними нейтрино, які постійно бомбардують Землю в міру того, як високоенергетичні протони космічних променів врізаються в атмосферу та породжують спрямовану вниз зливу частинок, зокрема й нейтрино, показали, що масу має й другий тип нейтрино. Ця маса дещо більша, одначе все одно значно менша за масу електрона. За ці результати очільники команд у SNO та «Каміоканде» одержали 2015 року Нобелівську премію з фізики – лише за тиждень до того, як я написав перший чорновий варіант цих слів. Ці інтрижні натяки на існування нової фізики досі не пояснені поточними теоріями.

Хоча відсутність протонних розпадів розчаровувала, її не можна було назвати абсолютно несподіваною. Відтоді як теорія Великого об’єднання була запропонована вперше, фізичний ландшафт дещо змінився. Більш точні вимірювання реальних сил трьох негравітаційних взаємодій, поєднані з більш хитромудрими обрахунками залежності сили цих взаємодій від відстані, показали, що, якщо в природі існують лише частинки Стандартної моделі, сили цих трьох сил на жодному єдиному масштабі не об’єднуються. Для того, щоб відбулося Велике об’єднання, має існувати якась нова фізика на енергетичних масштабах поза межами вже спостережених. Наявність нових частинок вплине не лише на швидкість зміни трьох відомих взаємодій із відстанню таким чином, що вони все-таки зможуть об’єднатися на якомусь одному масштабі енергії; це спричинюватиме підвищення масштабу Великого об’єднання, а отже, зменшуватиме швидкість протонного розпаду, що приведе до передбачених часів життя, які перевищують мільйони мільярдів мільярдів мільярдів років.

Паралельно з усіма цими подіями нові математичні інструменти спонукали теоретиків узятися за дослідження можливого нового типу симетрії природи, яка стала відомою як суперсиметрія. Ця фундаментальна симетрія відрізняється від усіх досі відомих симетрій тим, що поєднує два різні типи частинок природи: ферміони (частинки з дробовими спінами) та бозони (частинки з цілочисельними спінами). Наслідком цього (багато інших книжок, зокрема декілька моїх, детально досліджують це питання) є те, що, якщо ця симетрія існує в природі, тоді для кожної відомої частинки Стандартної моделі має існувати принаймні одна відповідна нова елементарна частинка. Для кожного відомого бозона має існувати новий ферміон. Для кожного відомого ферміона має існувати новий бозон.

Оскільки ми досі не бачили цих частинок, ця симетрія не може проявлятися у світі на рівні наших відчуттів і має бути порушеною, що означає, що всі нові частинки отримують достатньо великі маси, щоб не засікатися жодним зі збудованих нині прискорювачів.

Що може бути привабливим у симетрії, яка раптом подвоює кількість частинок у природі за відсутності будь-яких свідчень існування хоч якихось із цих нових частинок? Великою мірою її звабливість полягає в самому факті Великого об’єднання. Оскільки, якщо теорія Великого об’єднання існує на масштабі маси енергії, вищому на 15–16 порядків за масу спокою протона, це відповідає енергії, приблизно на 13 порядків вищій за розмірність порушення електрослабкої симетрії. Головне питання тут у тому, чому і яким чином може існувати настільки величезна різниця масштабів фундаментальних законів природи. Зокрема, якщо Стандартна модель Хіггса є останнім істинним залишком Стандартної моделі, постає питання, чому енергетична розмірність порушення симетрії Хіггса на 13 порядків менша за розмірність порушення симетрії, пов’язаної з новим полем (яким би воно не було), яке необхідно ввести задля розбиття ТВО-симетрії на окремі складові сили?

Ця проблема дещо серйозніша, аніж здається. Скалярні частинки на кшталт бозона Хіггса мають кілька нових квантовомеханічних властивостей, відмінних від властивостей ферміонів чи частинок зі спіном 1 на кшталт калібрувальних частинок. Якщо розглянути впливи віртуальних частинок, зокрема частинок із довільно великими масами, таких як калібрувальні частинки гаданої теорії Великого об’єднання, виявиться, що вони схильні підвищувати масштаб маси та порушення симетрії бозона Хіггса так, що він, по суті, стає близьким або навіть ідентичним масштабу важкої ТВО-частинки. Це спричиняє проблему, відому як проблема природності. З формальної точки зору неприродно мати величезний розрив між розмірністю, на якій електрослабка симетрія порушується частинкою Хіггса, і розмірністю, на якій ТВО-симетрія порушується яким би не було новим важким скалярним полем.

Блискучий математичний фізик Едвард Віттен у впливовій статті від 1981 року показав, що суперсиметрія має особливу властивість. Вона здатна вгамувати вплив віртуальних частинок довільно великої маси та енергії на властивості світу на нині досліджуваних нами масштабах. Оскільки віртуальні ферміони й віртуальні бозони однакової маси породжують квантові корегування, ідентичні з точністю до знака, тоді якщо кожен бозон супроводжується ферміоном рівної маси, то квантові впливи віртуальних частинок взаємоскоротяться. Це означає, що впливи віртуальних частинок довільно великої маси та енергії на фізичні властивості всесвіту на масштабах, які ми здатні виміряти, будуть повністю нейтралізовані.

Проте, якщо порушується сама суперсиметрія, квантові корегування скоротяться не повністю. Натомість вони робитимуть внески в маси такого ж порядку, що й розмірність порушення суперсиметрії. Якби вона була порівнювана з розмірністю порушення електрослабкої симетрії, це пояснило б, чому розмірність маси бозона Хіггса є саме такою, якою є. І це також означало б, що на масштабі, нині досліджуваному в LHC, варто очікувати виявлення купи нових частинок – суперсиметричних напарників звичайної матерії.

Це розв’язало б проблему природності, оскільки захистило б маси бозонів Хіггса від можливих квантових корегувань, які могли б збільшити їх до енергетичного масштабу, пов’язаного з Великим об’єднанням. Суперсиметрія уможливила б «природний» великий розрив енергій (та мас) між електрослабким масштабом і масштабом Великого об’єднання.

Те, що суперсиметрія в принципі могла б розв’язати проблему калібрувальної ієрархії (саме під такою назвою вона стала відома), суттєво підвищило котирування її акцій серед фізиків. Вона змусила теоретиків розпочати дослідження реалістичних моделей, які включали в себе порушення суперсиметрії, та інших фізичних наслідків цієї ідеї. Коли вони це зробили, біржова вартість суперсиметрії зашкалила. Адже, якщо врахувати можливість спонтанного порушення суперсиметрії в розрахунках залежності трьох негравітаційних сил від відстані, зненацька сила цих трьох сил починає природним чином сходитися на єдиному, дуже малому лінійному масштабі. Велике об’єднання знову стало можливим!

Моделі, у яких порушується суперсиметрія, мають іще одну привабливу рису. Ще задовго до відкриття правдивого кварка було відзначено, що завдяки своїм взаємодіям з іншими суперсиметричними напарниками він здатен породжувати квантові корегування властивостей частинки Хіггса, які змусять поле Хіггса конденсуватися на масштабі його нині виміряної енергії за умови, що Велике об’єднання відбувається на значно вищому, надважкому масштабі. Коротше кажучи, енергетичний масштаб порушення симетрії електрослабкої взаємодії можна природним чином отримати в рамках теорії, у якій Велике об’єднання відбувається на значно більшому енергетичному масштабі. Коли правдивий кварк було відкрито й він дійсно виявився важким, можливість того, що саме порушення суперсиметрії відповідальне за спостережуваний енергетичний масштаб слабкої взаємодії, стала ще привабливішою.

Утім, усе це має свою ціну. Щоб ця теорія працювала, має бути не один, а два бозони Хіггса. Мало того, збудувавши прискорювач на кшталт LHC, здатний шукати нову фізику в околі електрослабкого масштабу, можна було б очікувати побачити нові суперсиметричні частинки. Нарешті, що досить довго здавалося вельми вбивчим обмеженням, найлегша передбачена цією теорією частинка Хіггса не могла бути занадто важкою, бо інакше цей механізм працювати не буде.

У ході безрезультатних пошуків бозона Хіггса прискорювачі дедалі ближче підходили до теоретичної вищої межі маси найлегшого бозона Хіггса, передбаченого суперсиметричними теоріями. Ця величина становила десь 135 мас протона, а конкретніші значення певною мірою залежали від конкретної моделі. Якби на цьому масштабі бозона Хіггса виявити не вдалося, це свідчило б про те, що весь цей галас навколо суперсиметрії був лише галасом.

Що ж, сталося по-іншому. Виявлений у LHC бозон Хіггса мав масу, приблизно рівну 125 масам протона. Схоже, до великого синтезу було рукою подати.

На сьогодні відповідь… не така однозначна. Якщо нові суперсиметричні напарники звичайних частинок дійсно існують, їхні сигнатури мали б бути настільки помітні в даних, зібраних LHC, що багато хто з нас був переконаний, що LHC має значно більше шансів відкрити суперсиметрію, аніж бозон Хіггса. Сталося не так, як гадалося. Ситуація вже починає виглядати неприємно. Обмеження знизу, які тепер можна накладати на маси суперсиметричних партнерів звичайної матерії, стають дедалі вищими. Якщо вони стануть аж занадто високими, вийде, що масштаб порушення суперсиметрії не може бути близьким до електрослабкого масштабу, і з багатьма привабливими рисами порушення суперсиметрії в плані розв’язання проблеми калібрувальної ієрархії доведеться розпрощатися.

Проте ситуація ще не безнадійна, і LHC був запущений знову, цього разу з більшою енергією. Може статися, що впродовж року, який мине між написанням цих слів і виходом десятого накладу цієї книги, суперсиметричні частинки буде відкрито.

Якщо так, це матиме ще один важливий наслідок. Однією з найбільших таємниць космології є природа темної матерії, яка, наскільки можна судити, становить переважну частину маси всіх видимих галактик. Як я вже натякав вище, її настільки багато, що вона не може складатися з тих самих частинок, що й нормальна матерія. Якби це було не так, то, наприклад, передбачення щодо поширеності легких елементів на кшталт гелію, що утворилися внаслідок Великого вибуху, перестали б узгоджуватися зі спостереженнями. Тож фізики розважливо переконані, що темна матерія складається з нового типу елементарних частинок. Але що це за тип?

Ну, у багатьох теоріях найлегший суперсиметричний напарник звичайної матерії є абсолютно стабільним і має багато властивостей нейтрино. Він має бути слабко взаємодійним та електрично нейтральним, тож не поглинатиме й не випромінюватиме світла. Мало того, розрахунки, що їх провів я й інші понад тридцять років тому, показали, що нинішня залишкова поширеність найлегшої суперсиметричної частинки, яка залишилася після Великого вибуху, природно потрапляє в потрібний діапазон для того, щоб бути тією темною матерією, яка переважає в масі галактик.

У цьому випадку наша галактика повинна мати ореол частинок темної матерії, що ширяють крізь неї, зокрема й крізь кімнату, у якій ви читаєте ці рядки. Як деякі з нас нещодавно збагнули, це означає, що, якщо розробити чутливі детектори та помістити їх під землю аналогічно принаймні за духом до вже встановлених під землею детекторів нейтрино, можна легко виявити ці частинки темної матерії. Зараз саме цим зайняті півдюжини чудових експериментів у різних куточках світу. Утім, досі нічого зафіксовано не було.

Тож потенційно ми з вами живемо або в найкращий, або в найгірший із часів. Детектори LHC та підземні детектори безпосередньо темної матерії змагаються, хто перший розкриє природу темної матерії. Якщо якась із цих груп повідомить про виявлення сигналу, він стане провісником знаходження шляху до абсолютно нового світу відкриттів, які потенційно приведуть до розуміння власне Великого об’єднання. А якщо в найближчі роки жодних відкриттів зроблено не буде, у нас з’являться підстави відкинути ідею простого суперсиметричного походження темної матерії, а відтак відкинути й саму ідею суперсиметрії як розв’язання проблеми калібрувальної ієрархії. У цьому разі нам знову доведеться танцювати від пічки, щоправда, якщо з LHC не надійде жодних нових сигналів, у нас не буде жодних натяків на напрямок, у якому треба рухатися, щоб вивести модель природи, яка потенційно може виявитися правильною.

Усе стало значно цікавіше, коли LHC зафіксував інтрижний потенційний сигнал нової частинки, приблизно вшестеро важчої за бозон Хіггса. Ця частинка не мала властивостей, які можна було б очікувати від суперсиметричного напарника звичайної матерії. Як правило, після накопичення більшого обсягу даних найзахопливіші паразитні натяки на сигнали зникають, і десь через півроку після першої появи цього сигналу, після накопичення більшого обсягу даних, він зник. Якби він не зник, це могло б повністю змінити всі наші уявлення щодо теорій Великого об’єднання та електрослабкої симетрії й засвідчити існування нової фундаментальної сили та нового набору частинок, які цю силу відчувають. Але попри те, що на основі цього сигналу було написано багацько сповнених надії теоретичних статей, природа, схоже, обрала інший шлях.

Весь цей час одна група теоретичних фізиків не переймалася ані відсутністю чіткого експериментального дороговказу, ані підтвердженням суперсиметрії. 1984 року чудові математичні аспекти суперсиметрії спричинили відродження ідеї, яка перебувала в сплячці з 1960-х років, коли Намбу та інші намагалися зрозуміти сильну силу як теорію кварків, зв’язаних струноподібними збудженнями. Коли суперсиметрія стала частиною квантової теорії струн, утворивши те, що стало відоме як теорія суперструн, почали з’являтися деякі невимовно красиві математичні результати, зокрема можливість об’єднання не лише трьох негравітаційних сил, а всіх чотирьох відомих сил природи в єдину узгоджену квантову теорію поля.

Проте така теорія вимагає існування купи нових просторово-часових вимірів, жоден із яких наразі не спостерігали. Також вона не робить передбачень, які можна було б перевірити за допомогою зрозумілих сьогодні експериментів. А нещодавно ця теорія суттєво ускладнилась, і нині видається, що навіть самі струни можуть не бути її головними динамічними змінними.

Проте це аж ніяк не зменшувало ентузіазму основного ядра відданих та дуже обдарованих фізиків, які працювали над теорією суперструн, яка нині зветься М-теорією, упродовж тридцяти років від зеніту її слави в середині 1980-х років. Періодично з’являються оголошення про видатні успіхи, проте М-теорії досі бракує ключового елементу, який зробив Стандартну модель таким тріумфом науки, – здатності контактувати зі світом, який можна виміряти, розв’язати непоясненні головоломки та надати фундаментальні пояснення того, яким чином наш світ постав саме таким, яким він є. Це не означає, що М-теорія неправильна, проте на цьому етапі це радше спекуляції, хоча й доброзичливі та гарно вмотивовані.

Тут і зараз не час і не місце для огляду історії, проблем та успіхів теорії струн. Я описував усе це в інших працях, як і багато хто з моїх колег. Варто пам’ятати: якщо уроки історії хоч що-небудь засвідчують, так це що авангардні фізичні ідеї хибні. Якби це було не так, теоретичною фізикою міг би займатися будь-хто. Щоб дійти до Стандартної моделі, знадобилося кілька століть, а якщо за відправну точку брати науку давніх греків, то навіть кілька тисячоліть влучань і промахів.

Тож ось де ми є. Чи чекають нас за рогом нові надзвичайні експериментальні здогади, здатні підтвердити чи спростувати деякі з найграндіозніших гіпотез фізиків-теоретиків? Чи ми стоїмо на краю пустелі й далі природа більше не даватиме нам жодних підказок щодо напрямку пошуків задля глибшого проникнення в базисну сутність космосу? Ми обов’язково це дізнаємося та будемо змушені змиритися з новою реальністю, якою б вона не виявилася.

З якими б іще хитрощами природи ми не зіткнулися, нещодавнє відкриття бозона Хіггса, найсвіжіше й одне із найвизначніших експериментальних та теоретичних досягнень видатної Стандартної моделі фізики елементарних частинок, стало чудовим вінцем понад двох тисячоліть інтелектуальних зусиль відважних та цілеспрямованих філософів, математиків і науковців, спрямованих на відкриття прихованої мозаїки, що лежить в основі нашого з вами існування.

Воно також наводить на думку, що чудовий усесвіт, у якому нам довелося жити, може не лише нагадувати – принаймні в метафоричному сенсі – крижаний кристал на віконному склі, а й бути настільки ж ефемерним.

Розділ 23 Від пивної вечірки до кінця часів

Упродовж більшої частини моєї кар’єри мої власні дослідження були зосереджені на новій галузі космології, яка зветься астрофізикою елементарних частинок. Після зливи теоретичних здобутків 1960-1970-х років земні експерименти, обмежені нашою здатністю споруджувати складні машини на кшталт прискорювачів частинок, ледве-ледве за ними встигали. Унаслідок цього дехто з нас звернувся за порадами до всесвіту. Оскільки з теорії Великого вибуху випливає, що попервах усесвіт був розпеченим та густим, тодішні умови неможливо відтворити в земних лабораторіях. Проте якщо підійти до справи з розумом, можна пошукати залишкові сигнатури тих ранніх часів у космосі й дістати змогу перевірити наші ідеї, що стосуються навіть найезотеричніших аспектів фундаментальної фізики.

Попередня моя книга «Всесвіт із нічого» описувала революції в нашому розумінні еволюції всесвіту на великих масштабах і впродовж тривалих періодів часу. Наші дослідження не лише виявили існування темної матерії, яка, як уже було описано вище, скоріш за все, складається з нових елементарних частинок, яких досі не зафіксовано в прискорювачах (хоча ми, можливо, наблизилися впритул до цього), а й значно екзотичніші речі, а саме що основна енергія всесвіту міститься в порожньому просторі й на цей момент ми й гадки не маємо, звідки вона виникає.

Нині наші спостереження повернули нас у часи немовлячого віку нашого всесвіту. Ми зафіксували найдрібніші подробиці радіації, яка зветься реліктовим мікрохвильовим фоновим випромінюванням, яке бере свій початок від часів, коли всесвіту було лише триста тисяч років. Наші телескопи повертають нас у часи найперших галактик, які сформувалися приблизно через мільярд років після Великого вибуху, і дають нам можливість картографувати велетенські космічні структури, які містять тисячі галактик та простягаються на мільйони світлових років, розкидані тут і там посеред приблизно сотні мільярдів галактик у видимому всесвіті.

Для пояснення всього цього теоретики спираються на ідею, що виникла завдяки розвитку теорій Великого об’єднання. 1981 року Алан Гут збагнув, що фазовий перехід, який спричиняє порушення симетрії й може мати місце на ТВО-масштабі, одному з початкових масштабів усесвіту, може не бути ідентичним фазовому переходу, який порушує симетрію між слабкою взаємодією та електромагнетизмом. У випадку ТВО БХ-подібне поле, що конденсується в просторі задля порушення ТВО-симетрії між сильною й електрослабкою силами, може на мить застигнути в метастабільному високоенергетичному стані, перш ніж повернутися у врівноважений стан своєї остаточної конфігурації. Перебуваючи в цій конфігурації «лжевакууму», це поле зберігатиме енергію, яка вивільниться тоді, коли поле зрештою повернеться у врівноважений стан своєї преференційної найменш енергетичної конфігурації.

Ця ситуація вельми нагадує те, що могло трапитися з вами, якщо вам колись доводилося планувати велику вечірку, а тоді забути вчасно поставити пиво в холодильник. Тоді ви ставите пиво в морозильник, проте в ході вечірки забуваєте про нього. Наступного дня ви знаходите пиво, відкриваєте пляшку і – бабах! – пиво в пляшці зненацька замерзає та розширюється, розбиваючи скло й спричиняючи страшенний гармидер. Поки кришку не знято, пиво перебуває під великим тиском, а за цього тиску й температури пиво рідке. Але щойно ви знімаєте кришку та знижуєте тиск, пиво раптово замерзає. Під час цього фазового переходу, у ході якого пиво переходить у новий, урівноважений стан, вивільняється достатня кількість енергії, щоб крига, яка розширюється, розбила пляшку.

Тепер уявіть собі аналогічну ситуацію в холодному кліматі. Свіжого та дощового зимового дня температура може швидко впасти нижче від точки замерзання, примушуючи дощ змінитися снігом. А от калюжі води на вулиці можуть замерзнути не одразу, тим паче якщо їх постійно збурюють колеса машин. Пізніше, коли рух стає менш жвавим, вода може раптово замерзнути, спричиняючи появу на дорозі небезпечної чорної криги. Через попереднє збурення машинами та швидке зниження температури вода застрягає в «метастабільній фазі», себто у вигляді рідини. Утім, урешті-решт відбувається фазовий перехід, і формується чорна крига. Оскільки за таких низьких температур преференційним найменш енергетичним станом води є твердий, то в результаті замерзання рідина вивільняє надмірну енергію, яку зберігала в метастабільному рідкому стані.

Гут задумався, що сталося б у ранньому всесвіті, якби така поведінка мала місце під час переходу, описаного ТВО, себто якби яке б не було скалярне поле, котре для цього переходу грає роль поля Хіггса, залишилося б на короткий час у початковому основному стані, що зберігає симетрію, навіть попри охолодження всесвіту нижче від точки, у якій преференційним стає новий конденсований основний стан, який симетрію порушує. Гут збагнув, що цей тип енергії, який це поле зберігало в просторі до завершення переходу, буде відштовхуватися гравітацією. Унаслідок цього всесвіт різко розшириться (можливо, у гігантську кількість разів, на двадцять п’ять порядків чи більше) за мікроскопічно короткий час.

Далі Гут відкрив, що цей період стрімкого розширення, яке він назвав роздуттям, здатен розв’язати кілька наявних парадоксів, пов’язаних із картиною Великого вибуху, зокрема пояснити, чому всесвіт на великих масштабах настільки однорідний та чому тривимірний простір на великих масштабах виглядає настільки близьким до геометричної пласкості. Без роздуття відповісти на ці запитання, схоже, неможливо. Перша проблема розв’язується, оскільки впродовж стрімкого розширення будь-які початкові неоднорідності розгладжуються, точно як зморщена повітряна кулька стає гладенькою, коли її надувають. Якщо розвинути цю аналогію, то поверхня кульки, надутої дуже сильно, скажімо, до розмірів земної кулі, виглядатиме дуже пласкою, точно як Канзас. Цей феномен, який породжує двовимірне сприйняття Землі, поширюється й на тривимірну кривизну простору як такого. Після роздуття простір здаватиметься пласким; якщо точніше, він виглядатиме як усесвіт, у якому, на думку більшості з нас, ми вже й так живемо, де паралельні лінії не перетинаються, а осі x, y та z в усіх точках усесвіту вказують у тих самих напрямках.

Після роздуття енергія, що зберігалась у просторі в лжевакуумному стані, вивільниться, породжуючи елементарні частинки та повторно нагріваючи всесвіт до високої температури, створюючи таким чином природну й реалістичну початкову умову подальшого стандартного гарячого розширення в рамках Великого вибуху.

Мало того, через рік після того, як Гут запропонував свою картину, кілька груп здійснили обрахунки, що сталося б із частинками й полями під час стрімкого розширення всесвіту в процесі роздуття. Вони відкрили, що незначні неоднорідності, спричинені квантовими ефектами ранніх часів, під час роздуття «заморозяться». Після роздуття ці незначні неоднорідності розростуться й утворять галактики, зірки, планети тощо й також залишать відбиток на реліктовому мікрохвильовому фоновому (РМФ) випромінюванні, який точно відповідає пізніше встановленій закономірності. Проте, використовуючи різні моделі роздуття, можемо одержати різні передбачення РМФ-анізотропій (на цьому етапі роздуття є радше моделлю, аніж теорією, а оскільки експериментально не встановлено існування якогось одного унікального ТВО-переходу, допустимі й багато різних варіантів).

На основі роздуття було зроблене ще одне захопливе та більш однозначне передбачення. Упродовж періоду стрімкого розширення в просторі виникатимуть брижі, що називаються гравітаційними хвилями. Ці брижі спричинятимуть появу в РМФ іще однієї характерної сигнатури, яку можна спробувати віднайти. 2014 року команда експерименту BICEP оголосила про виявлення сигналу, ідентичного передбаченому. Це спричинило неабиякий ажіотаж у спільнотах як космологів-теоретиків, так і космологів-спостерігачів. Ми разом із Френком Вільчеком написали статтю, яка вказувала не лише на те, що таке спостереження вказуватиме на масштаб порушення симетрії, який точно відповідатиме масштабу порушення ТВО-симетрії в моделях із суперсиметрією, а й на те, що таке спостереження однозначно засвідчить, що на малих масштабах гравітація має бути квантовою теорією, тож пошуки квантової теорії гравітації не є марними.

Проте, на превеликий жаль, оголошення команди BICEP виявилося передчасним. Подібний сигнал могли породити інші фонові випромінювання нашої галактики, і на час написання цих рядків за відсутності однозначних підтверджень роздуття чи квантової гравітації ситуація досі виглядає непевною.

Зовсім нещодавно, між завершенням першого чорнового варіанта та остаточної редакції цієї книги, неймовірний набір детекторів під назвою Лазерно-інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія (LIGO), що в Генфорді, штат Вашингтон, та Лівінгстоні, штат Луїзіана, зробив перше переконливе безпосереднє відкриття гравітаційних хвиль. LIGO – неймовірна й амбітна машина. Для виявлення гравітаційних хвиль, випромінюваних у результаті зіткнення чорних дір у віддалених галактиках, експериментатори повинні були навчитися виявляти коливальну різницю довжин двох чотирикілометрових перпендикулярних рукавів детекторів із точністю до однієї тисячної частки розміру протона – це все одно, що виміряти відстань між Землею та найближчою зіркою після нашого Сонця, а саме Альфою Центавра, з точністю до ширини людської волосини!

Яким би разючим не було відкриття гравітаційних хвиль у LIGO, зафіксовані нею хвилі спричинені віддаленим астрофізичним зіткненням, а не першими миттєвостями Великого вибуху. Проте успіх LIGO є провісником побудови нових детекторів, тож саме гравітаційно-хвильова астрономія, скоріш за все, стане астрономією ХХІ століття.

Якщо в цьому чи наступному столітті наступники LIGO чи BICEP зможуть безпосередньо виміряти сигнатуру гравітаційних хвиль, спричинених роздуттям, нам відчиниться вікно у фізику всесвіту на той час, коли йому ще не виповнилося мільярд мільярдів мільярдної частки секунди. Це дасть нам змогу безпосередньо перевірити наші ідеї роздуття та Великого об’єднання, і, ймовірно, навіть проллє світло на можливість існування інших усесвітів, перетворивши на фізику те, що нині належить до метафізики.

Утім, на сьогодні роздуття є лише гарно обґрунтованою пропозицією, яка, схоже, природним чином розв’язує більшість основних загадок космології. Проте тоді як роздуття лишається єдиним неемпіричним теоретичним кандидатом на пояснення основних спостережуваних рис нашого всесвіту, воно спирається на існування нового та суто службового скалярного поля, цілеспрямовано винайденого задля спричинення роздуття й тонко налаштованого так, щоб спричиняти його точно тоді, коли ранній усесвіт тільки-но почне охолоджуватися після Великого вибуху.

До відкриття частинки Хіггса ці роздуми були в найкращому випадку правдоподібними. За відсутності хоч одного відомого прикладу фундаментального скалярного поля припущення, що порушення симетрії в рамках Великого об’єднання може бути наслідком іще одного простого БХ-подібного механізму, було екстраполяцією, вибудуваною на ненадійній основі. Як уже описано вище, відкриття W– та Z-частинок зробило очевидним порушення електрослабкої симетрії. Проте це просте поле Хіггса могло бути казковим замінником якогось значно складнішого та, імовірно, значно цікавішого базисного механізму.

Нині все змінилося. Бозон Хіггса існує, а відповідно, існує й фонове скалярне поле, яке нині пронизує весь простір усесвіту, надаючи масу частинкам та породжуючи характеристики всесвіту, який ми здатні населяти. Якщо теорія Великого об’єднання справді існує й поєднує всі три сили в одну десь близько до початку часів, тоді мало відбутися якесь порушення симетрії, лише після якого три відомі негравітаційні сили почали відрізнятися своїм характером. Бозон Хіггса засвідчує, що порушення симетрії в законах природи може відбутися внаслідок конденсації скалярного поля в просторі. Тож залежно від подробиць роздуття стає значно природнішим та потенційно універсальним варіантом. Як пожартував мій колега Майкл Тернер, мавпуючи тодішнього голову ради керівників Федеральної резервної системи США Алана Грінспена, «періоди роздуття неминучі».

Можливо, це твердження було значно більш провісницьким, аніж можна було тоді собі уявити. 1998 року було відкрито, що в нашому всесвіті якраз відбувається нова версія роздуття, яке підтвердило вельми єретичні прогнози, що їх зробив дехто з нас. Як згадано вище, з цього випливає, що основна енергія всесвіту перебуває в порожньому просторі, що є найправдоподібнішим поясненням прискорення спостережуваного розширення всесвіту. За відкриття цього визначного та великою мірою несподіваного феномену Браян Шмідт, Адам Рісс та Сол Перлматтер отримали Нобелівську премію. Природним чином постають запитання, що може спричиняти це нинішнє прискорене розширення та що є джерелом цього нового виду енергії.

Одразу ж виникають два варіанти. По-перше, це може бути фундаментальна властивість порожнього простору, можливість якої передбачив Альберт Ейнштейн невдовзі після розробки загальної теорії відносності, яка, як він збагнув, могла включати в себе дещо, що він назвав «космологічною сталою», і котра, як ми розуміємо нині, може просто відображати ненульову енергію основного стану всесвіту, яка існуватиме необмежену кількість часу й в майбутньому.

Або, по-друге, це може бути енергія, що зберігається в ще одному невидимому фоновому скалярному полі всесвіту. Якщо це так, виникає наступне очевидне запитання: чи вивільниться ця енергія в результаті ще одного майбутнього фазового переходу, подібного до роздуття, який відбудеться, коли всесвіт достатньо охолоне?

На сьогодні це питання відкрите. Хоча нині обчислена енергетична густина порожнього простору більша за енергетичну густину всього іншого, що ми бачимо у всесвіті, в абсолютних величинах, у масштабі енергій, пов’язаних із масами всіх відомих нам елементарних частинок, вона вкрай мізерна. Не існує жодного осмисленого неемпіричного пояснення на основі відомих механізмів фізики елементарних частинок, яким чином енергія основного стану всесвіту може бути ненульовою, що приводить до виникнення космологічної сталої Ейнштейна, але водночас настільки малою, щоб уможливити спостережуване нами м’яке прискорення. (Утім, одне правдоподібне пояснення, що його вперше надав Стів Вайнберґ, усе-таки є, хоча воно умоглядне та спирається на умоглядні ідеї щодо можливої фізики далеко за межами сфери, яку ми розуміємо зараз. Якщо всесвітів багато, а енергетична густина в порожньому просторі, якщо припустити, що це космологічна константа, не зафіксована фундаментальними фізичними обмеженнями, а натомість довільним чином варіюється від усесвіту до всесвіту, тоді лише в тих усесвітах, у яких енергія в порожньому просторі не набагато більша за виміряне нами значення, зможуть сформуватися спершу галактики, а тоді зірки, і лише тоді планети, і лише тоді астрономи…)

Водночас не існує жодної осмисленої моделі нового фазового переходу, передбаченого фізикою елементарних частинок для нового скалярного поля, яке нині зберігає в собі настільки малий обсяг енергії. Під осмисленою моделлю я розумію таку, яку визнає правдоподібною ще хоча б хтось, окрім її авторів.

Зрештою, усесвіт такий, який він є, і з того факту, що поточна фундаментальна теорія не надає неемпіричного передбачення, здатного пояснити щось настільки фундаментальне, як енергія порожнього простору, не випливає нічого містичного. Як я вже казав, брак розуміння не є свідченням існування Бога. Це лише свідчення браку розуміння.

Ураховуючи, що ми не знаємо, що є джерелом потенційно наявної енергії порожнього простору, ми вільні сподіватися на краще, і в цьому випадку це, можливо, означає сподівання, що слушним є пояснення через космологічну сталу, а не через існування якогось іще не відкритого скалярного поля, яке одного дня може перейти в новий стан, вивільнивши енергію, що нині зберігається в просторі.

Згадаймо, що через зв’язування поля Хіггса з рештою матерії у всесвіті за конденсації поля в стан порушення електрослабкої симетрії кардинально змінилися властивості матерії та сил, що керують взаємодіями матерії.

Відповідно, якщо в природі має відбутися якийсь подібний фазовий перехід за участі певного нового скалярного поля в просторі, стабільність відомої нам матерії може зникнути. Галактики, зірки, планети, люди, політики й усе, що ми бачимо навколо, може в буквальному сенсі слова зникнути. Єдиний позитивний момент (окрім зникнення політиків) полягає в тому, що цей перехід за умови, що він починається з якогось крихітного зернятка в якійсь точці нашого всесвіту (аналогічно до того, як крихітні пилинки можуть покласти початок формуванню крижаних кристалів на замерзлому віконному склі чи сніжинок у процесі їх падіння на землю), пошириться простором зі швидкістю світла. Ми не будемо знати, що нас накрило, аж доки це не станеться, після чого ми вже не існуватимемо й нам буде байдуже.

Допитливий читач міг звернути увагу, що всі ці обговорення стосуються нових можливих скалярних полів у природі. А що ж там із полем Стандартної моделі Хіггса? Чи може воно відігравати якусь роль у всьому цьому поточному космічному шарварку? Чи може поле Хіггса містити енергію та нести відповідальність за роздуття на початку всесвіту чи нині? Чи може поле Хіггса перебувати не в кінцевому своєму основному стані й чи чекає на нього ще один перехід, який іще раз змінить конфігурацію електрослабкої сили й маси частинок Стандартної моделі?

Гарні запитання. І відповіді на них усі однакові: ми не знаємо.

Це не завадило деяким теоретикам розмірковувати щодо такого варіанта. Мій улюблений приклад (улюблений не тому, що він кращий за інші, а тому, що це міркування належить мені й моєму колезі Джеймсу Денту й сформулювали ми його невдовзі після відкриття бозона Хіггса) полягає в тому, що, можливо, поле Хіггса все-таки відіграє роль у спостережуваному космічному розширенні. Як зазначають деякі автори, існування фонового польового конденсату й частинок, з яких він складається, може слугувати унікальним вікном, або «порталом», який може надати неочікувану сприйнятливість існуванню в природі інших БХ-подібних полів незалежно від того, наскільки слабкими можуть бути їхні безпосередні прив’язки до частинок, спостережуваних у рамках Стандартної моделі.

Якщо бозон Хіггса та інші БХ-подібні частинки існують як варіант у масштабі теорії Великого об’єднання, тоді фізичний бозон Хіггса – та сама частинка, відкрита в ЦЕРН, – може бути деякою сумішшю бозона Хіггса слабкої взаємодії та іншої БХ-подібної частинки (тут ми відштовхуємося від фізики нейтрино, у якій аналогічний феномен відіграє ключову роль у розумінні, наприклад, поведінки нейтрино, випущених у ході ядерних реакцій на Сонці та зафіксованих на Землі). У такому разі можна твердити, що, принаймні коли поле частинок Хіггса слабкої взаємодії сконденсується в порожньому просторі, це може стимулювати конденсацію іншого БХ-подібного поля з властивостями, які дозволять їй зберігати точно таку кількість енергії, яка пояснила б спостережуване сьогодні роздуття всесвіту. Необхідна для цього математика вельми силувана, і модель потворна. Утім, хто його зна? Можливо, вона потворна тому, що ми ще не знайшли правильної схеми, у яку її вбудувати.

Проте цей сценарій усе ж варто згадати не лише заради красного слівця через одну привабливу рису. У цій картині енергія, яку несе друге поле і яка спричиняє вимірюване нині прискорене розширення всесвіту, скоріш за все, урешті-решт вивільниться в результаті нового фазового переходу до справжнього основного стану всесвіту. Завдяки тому, що це нове поле може слабко прив’язуватися до всіх спостережуваних частинок, цей перехід, на відміну від багатьох інших варіантів майбутніх можливих фазових переходів у нашому всесвіті, не призведе до зміни спостережуваних властивостей жодної відомої частинки природи на скільки-небудь помітну величину. Тож плюсом цієї моделі є те, що, якщо вона правильна, відомий нам усесвіт може вижити.

Проте святкувати було б передчасно. Незалежно від подібних міркувань відкриття бозона Хіггса викликало до життя привид значно менш оптимістичного варіанта. Тоді як майбутнє, у якому спостережуване прискорення всесвіту триває вічно, є жалюгідним майбутнім для життя й здатності продовжувати зондувати всесвіт (оскільки кінець кінцем усі галактики, які ми наразі спостерігаємо, віддаляться від нас зі швидкістю, більшою за швидкість світла, і зникнуть із нашого обрію, залишивши всесвіт холодним, темним і значною мірою порожнім), майбутнє, яке може постати внаслідок існування поля Хіггса з масою в 125 мас протона, може бути набагато гіршим.

Якщо на мить припустити, що на вищих енергіях Стандартна модель не доповнюється купою нових речей, то обрахунки показують, що за маси бозона Хіггса, яка збігається з допустимим діапазоном для спостережуваного БХ, наявний конденсат поля Хіггса балансує на самому краєчку нестабільності й може змінити своє поточне значення на зовсім інше, що асоціюється з більш низькоенергетичним станом.

Якщо такий перехід відбудеться, звична матерія, як ми її знаємо, змінить форму, і галактики, зірки, планети та люди, радше за все, щезнуть, наче той крижаний кристал теплого сонячного ранку.

Для любителів жахів було запропоновано ще один, іще страшніший варіант. Не виключене існування нестабільності, яка спричинить необмежене зростання величини поля Хіггса. Унаслідок цього зростання енергія, що міститься в еволюційному полі Хіггса, може стати від’ємною. Це може спричинити колапс усього всесвіту в ході катастрофічного дзеркального відображення Великого вибуху – Великого розчавлення. На щастя, дані свідчать не на користь такого варіанта, яким би поетичним він не виглядав.

Щодо сценарію, у якому все, що ми бачимо, зникає внаслідок раптового переходу поля Хіггса в новий основний стан, хочу наголосити, що виміряна зараз маса бозона Хіггса свідчить на користь стабільності, проте її значення достатньою мірою невизначене, щоб зрештою опинитися як по один, так і по інший бік цієї межі, або породжуючи стабільний за всіма ознаками вакуум, у якому ми квітнемо нині, або ж свідчачи на користь такого переходу. Мало того, цей сценарій ґрунтується на обрахунках у рамках самої лише Стандартної моделі. Будь-яка нова фізика, яку, можливо, буде відкрито в LHC чи подальших колайдерах, може повністю змінити цю картину, стабілізуючи нестабільне натомість поле Хіггса. Оскільки ми цілком упевнені, що нова, іще не відкрита фізика існує, на цей момент немає жодних підстав для відчаю.

Якщо ж цього мало, аби втішити тих, хто все одно боїться, що в підсумку світ очікує більш жалюгідний з описаних варіантів майбутнього, ті самі обрахунки, які свідчать, що таке може статися, також свідчать, що наша поточна метастабільна конфігурація реальності ще протримається впродовж не просто мільярдів, а мільярдів мільярдів мільярдів років.

Хай би як ми переймалися майбутнім, зараз слушний момент іще раз підкреслити, що всесвіту абсолютно начхати, що нам подобається й чи ми з вами виживемо. Його динаміка розгортається незалежно від того, існуємо ми чи ні. З цієї причини мене дивним чином вабить описаний вище сценарій судного дня. У цьому випадку карколомний випадок, якому ми завдячуємо нашим існуванням, – себто конденсація поля, яке уможливило поточну стабільність матерії, атомів та самого життя, – виявиться короткочасною дещицею везіння.

Описані вище уявні науковці, що живуть на гребені крижаного кристала на віконному склі, спершу відкрили б, що один із напрямків у їхньому всесвіті дуже особливий (що, без сумніву, святкували б теологи цього суспільства як приклад Божої любові). Копаючи глибше, вони могли б виявити, що ця особливість є просто випадковістю, оскільки можуть існувати інші крижані кристали, у яких перевага надається іншим напрямкам.

Так і ми відкрили, що наш усесвіт з усіма своїми силами, частинками та дивовижною Стандартною моделлю, наслідком якої є напрочуд щасливий випадок розширюваного всесвіту із зірками, планетами й життям, здатним у ході еволюції виробити свідомість, також є простою випадковістю, яка стала можливою тому, що на самому світанку всесвіту поле Хіггса конденсувалося саме так і не інакше.

І хоча уявні науковці на гіпотетичному крижаному кристалі можуть святкувати свої відкриття, як це зазвичай робимо ми, вони можуть і гадки не мати про те, що ось-ось зійде Сонце, і незабаром їхній крижаний кристал розтане, і будь-які сліди їхнього короткого існування щезнуть без сліду. Чи зробило б це емоції від їхнього короткого існування менш захопливими? Звісно, що ні. Тож, якщо наше майбутнє таке ж скороминуще, ми можемо принаймні дістати задоволення від нашої карколомної подорожі та насолоджуватися кожним аспектом найвидатнішої оповіді з коли-небудь розказаних – поки що.