Тончайшее несовершенство, что порождает всё. Долгий путь частице Бога и Новая физика, которая изменит мир

Мадонна и темная материя

Верделло (Бергамо),

29 октября 2012 г.

В пригородах Бергамо, вокруг промышленных зон Дальмине, царит урбанистический хаос. Автострады, торговые центры, производственные ангары и старые жилые районы чередуются и громоздятся друг на друге в невообразимом беспорядке: кажется, что местные власти соревнуются в том, кому из них удастся устроить у себя больший сумбур. В этом извращенном хитросплетении способно заблудиться не только человеческое существо – здесь сбивается с дороги даже спутниковый навигатор. Он старательно пытается убедить водителя повернуть направо, туда, где извивается канал, полный грязной воды.

После бесчисленных тупиков и пары разворотов я наконец добираюсь до полей фермы “Джермольо” в Верделло, цели моих поисков. Внезапно все вокруг делается красивым и каким‑то упорядоченным, словно я въехал на территорию одной из фабрик диснеевского мультфильма. Постриженные кусты и газоны, мирно пасущиеся коровы. Вот тут у них вольеры для кур и кроликов, вон там, за изгородью, – лошади. А еще есть ручной сокол, нарезающий сейчас высоко в небе широкие круги. Завидев нас, Пьеро Луккини подзывает его затейливым свистом, чтобы мы смогли им полюбоваться, и хищник быстро опускается на его правую руку, защищенную толстой кожаной перчаткой. “Джермольо” – это место для ретритов, где проходят лечение и реабилитацию люди, страдающие ментальными расстройствами, а Пьеро – здешний управляющий. В Бергамо его знают все. Благодаря ему тут появилось терапевтическое отделение, были построены дома семейного проживания для менее тяжелых пациентов и создана вот эта самая ферма, где десятки человек обучаются уходу за животными и работе в поле. На ферме делают вино, колбасы и сыр – все строго органическое; ее продукцию можно продегустировать в соседнем ресторане, предлагающем лучшую пасту в округе. Тут есть и театр – единственный в Италии, в котором совместно выступают профессиональные актеры, пациенты и дрессированные лошади; это производит очень сильное впечатление.

Требуется колоссальное мужество, чтобы руководить такой коммуной, ибо в итальянских бюрократических джунглях таится множество коварных ловушек. “Джермольо” получает небольшую государственную поддержку, но в основном существует благодаря частным пожертвованиям и помощи церкви. Пьеро Луккини – крутой парень, ему достает и храбрости, и упрямства – ровно тех качеств, которыми славятся уроженцы Бергамо. Немудрено, что среди 1 089 краснорубашечников, пошедших за Гарибальди, было 160 бергамцев: горячие головы, преимущественно заводские рабочие, пекари и сапожники, но еще и один адвокат и один цирюльник. Пьеро как‑то сказал мне: “Все знают, что в «Джермольо» живут психи, но мало кто знает, что главный псих тут – я”. Да уж, вряд ли можно назвать здравомыслящим человека, который поведет конную группу пациентов в Мантую, следуя по старому пути погонщиков мулов. Или усадит своих подопечных на велосипеды и отправится с ними в Рим; путешествие, полное приключений, продлится неделю и завершится встречей с папой.

Несколькими месяцами ранее Пьеро с группой врачей и пациентов побывал на экскурсии в ЦЕРН, и я пообещал ему навестить коммуну. Это была особенная экскурсия; широко распахнутые от удивления глаза при виде CMS и приглашение, полученное мною, когда мы прощались: “Было бы здорово продолжить наш разговор в «Джермольо»!” Я долго потом вспоминал Пьеро и вот наконец решил приехать к нему. Мне бывает хорошо с теми, кому приходится ежедневно вести собственную битву.

После посещения фермы состоялась встреча с пациентами и врачами. На меня обрушился вихрь вопросов о бозоне Хиггса, о происхождении Вселенной и о ее будущем. Мы сидели кружком в большом помещении. На измученных болезнью лицах читались любопытство и признательность. Когда мы все стали фотографироваться (я – как гость – в центре), я машинально положил руки на плечи юношам, что стояли по бокам от меня. И ладонями ощутил, как они задрожали от волнения. А под конец один из пациентов, не задававший никаких вопросов, но внимательно следивший за дискуссией, подошел ко мне и спросил тихо, чтобы больше никому не было слышно: “Вы, ученые, видите вокруг темную материю, которую никто, кроме вас, не видит, и все вам верят. А мне иногда случается поговорить с Девой Марией. Почему же мне никто не верит?”

А это точно бозон Хиггса?

Открытие новой элементарной частицы вызвало резонанс планетарного масштаба. Не было газеты, которая не написала бы об этом, а статьи, опубликованные командами ATLAS и CMS, немедленно набирали сотни цитирований. Но ЦЕРН, не вовлекаясь во всю эту суету, продолжал свою работу по уточнению и проверкам. Новый бозон найден, однако уверены ли мы, что это тот самый бозон?

Официальное объявление было сделано в самых сдержанных тонах: в нем говорилось о бозоне хиггсовского типа; то есть подразумевалось, что он очень похож на бозон Хиггса. Эта сдержанность была более чем оправданна. Напоминаю: у бозона Хиггса, как и у всякого другого бозона, целый спин. Но у этой столь разыскиваемой частицы спин должен быть равен нулю – это одна из принципиальных ее характеристик, выражаемых словом скалярная. Наши данные, собранные к июлю 2012 года, не позволяли определить спин частицы, и поэтому нам приходилось соблюдать осторожность. Если выяснится, что спин у нашей частицы 1 или даже 2, то нам придется иметь дело с каким‑то самозванцем, который, хотя и похож на бозон Хиггса, все же им не является. А до тех пор, пока спин не известен, мы не можем сказать ничего определенного.

Вдобавок была еще проблема потенциальных аномалий. Открытие осуществилось преимущественно при использовании бозонных каналов распада; ни ATLAS, ни CMS не показали каких‑либо убедительных признаков распада новой частицы на b-кварки или на тау-лептоны. И предстояло разобраться: мы не видели этих распадов, потому что так и не достигли нужной чувствительности, или же механизм образования массы у фермионов отличается от описанного Браутом, Англером и Хиггсом? Если верно второе, то нам придется принять во внимание гипотезу, что открытая частица отлична от бозона Хиггса, предсказываемого Стандартной моделью.

Наконец, многие эксперты обратили внимание на то, что оба эксперимента в канале распада на два фотона зарегистрировали значительно больше (примерно на 50 %) событий, чем предсказывает теория. Разумеется, аномалия такого рода может объясняться статистической случайностью, которая должна исчезнуть по мере накопления новых данных. Но этот тип реакций всегда был под особым наблюдением, потому что они очень чувствительны к присутствию Новой физики. Если тут задействованы какие‑то более массивные частицы, пока еще не открытые, их присутствие может обнаруживать себя косвенным образом, например, изменяя вероятность этого процесса.

Все это занимало очень многих, но с особенным трепетом следили за происходящим два пожилых господина – Питер Хиггс и Франсуа Англер. Оба прекрасно знали, что звонок из Стокгольма, которого они ждали так много лет, раздастся лишь после того, как ATLAS и CMS выскажутся совершенно определенно и вместо слов “хиггсовского типа”, использовавшихся в статьях и официальных сообщениях, появится единственное слово: “Хиггса”. То, к чему они интуитивно пришли в 64‑м, признают верным лишь в том случае, если частица, открытая в 2012‑м, будет обладать всеми теми характеристиками, которые предсказывала для бозона Хиггса Стандартная модель.

На протяжении всего года LHC продолжал сталкивать протоны с большой производительностью, и вскоре мы с запасом прошли рубеж в 20 fb^-1. Теперь у нас было достаточно данных, чтобы приняться за проверки всех этих аномалий. Обладая данными, вчетверо превосходящими по объему данные на предыдущем цикле, мы получили сигнал значительно более сильный и значительно более ясный. Да и в каналах, где на момент открытия у нас было лишь по горстке событий, их в итоге накопилось достаточно, чтобы провести более подробные исследования и поискать возможные аномалии.

Прежде всего следовало сосредоточиться на измерении спина. Механизм тут прост и не раз использовался в прошлом. Для измерения этой характеристики у неустойчивой частицы, вроде бозона Хиггса, измеряется угловое распределение продуктов ее распада. Вид кривых, описывающих пространственное распределение электронов, мюонов и других частиц-осколков после распада материнской частицы, говорит о многом. Эти кривые будут принципиально различаться в зависимости от того, был ли у распавшейся материнской частицы спин 0, 1 или 2. И что же выяснилось? Из всех гипотез та, что новая частица была скалярной в соответствии с предсказанием теории Браута, Хиггса и Англера, значительно обгоняла в правдоподобии любую другую.

Затем начались измерения в каналах распада бозона на b-кварки и тау-лептоны. Пришлось использовать все собранные данные и значительно увеличить чувствительность их анализа, чтобы увидеть в этих столь важных каналах первые слабые признаки. Бозон Хиггса должен сцепляться с b-кварками и с тау-лептонами для придания им массы и потому с неизбежностью обязан распадаться на эти легкие частицы[46]. Не будь этого, под всю теорию оказалась бы заложена страшная бомба: пришлось бы допустить существование какой‑то другой частицы, отличной от бозона Хиггса, которая отвечала бы за появление массы у легких элементарных частиц. Для Стандартной модели в том виде, как она существовала, это означало бы полный крах.

Но в итоге зародившиеся было сомнения рассеялись. С появлением полной статистики и ATLAS, и CMS показали очевидные сигналы, что никаких аномалий в сцеплении бозона Хиггса с b-кварками и тау-лептонами нет. На графиках, обобщающих полученные результаты, появилась та самая впечатляющая пропорциональность констант связи массе, которую предсказывала теория 64‑го года.

Но зато возникло растущее напряжение из‑за парочки других проблем, разрешить которые удалось только после многих месяцев неистовой работы. На протяжении всего 2012 года ATLAS обращался к нам с вопросами относительно измерения массы бозона. В Стандартной модели масса бозона Хиггса – параметр исключительной важности, но он не определяется в самой теории и должен быть измерен экспериментально с максимальной возможной точностью. Для этого использовались два наиболее ясных канала распада, обеспечивающих максимальное разрешение: распад на два фотона и распад на два Z-бозона, которые, в свою очередь, распадаются на четыре лептона. Это два независимых эксперимента, но они должны давать согласующиеся значения. На CMS именно так и происходило, но на ATLAS получались два различающиеся между собой результата; такое в принципе возможно, но наблюдаемое расхождение более чем в 3 ГэВ между значением массы, полученным в канале распада на два фотона, и значением массы, полученным в канале распада на четыре лептона, представлялось чрезмерным. На ATLAS бросились искать объяснения, и некоторые теоретики всерьез принялись разрабатывать гипотезу, что в действительности был открыт “дублет” бозонов: две частицы с близкими массами, каждая из которых отличается от бозона Хиггса в Стандартной модели. Наконец, спустя месяцы внимательного изучения калибровок калориметра и бесконечных перепроверок инструментов анализа, разница между двумя значениями сократилась до 2,5 ГэВ, что уже больше походило на экспериментальную ошибку, – и дело отправили в архив.

В те же самые месяцы, когда на ATLAS воевали с разницей в значениях массы бозона, на CMS волновались по поводу распада на два фотона. По мере получения новых данных сигнал вдруг стал слабнуть, будто бы в новом цикле и не было его усиления и будто бы это вовсе не он был настолько силен, что мы приглашали его на сцену и в 2011‑м, и в 2012 годах. После первого недоумения решено было еще раз все проверить, чтобы отыскать причины возможной ошибки. Летом, например, интенсивность пучков в коллайдере снова стала расти, из‑за чего усиливался эффект pile-up, – а значит, мы могли потерять значительную долю данных о событиях с участием бозона Хиггса, которые надеялись получить после внесенных изменений. Пришлось в очередной раз начинать все сызнова, буквально с нуля. Наконец, после восьми месяцев гонки и проведения аккуратных измерений, стало ясно, что это никакая не аномалия, а статистическая флуктуация. В первых 10 fb^-1 (до середины 2012 года) мы наблюдали позитивную флуктуацию – то есть бозоны Хиггса появлялись чаще, чем можно было ожидать; а в следующих 10 fb^-1 (во второй половине года) флуктуация была отрицательная, и сигнал становился слабее. При учете всех данных сигнал оказался точно соответствующим предсказаниям Стандартной модели. Ожидания, что в распаде на два фотона прячутся первые признаки Новой физики, на тот момент не подтвердились.

Когда в начале 2013 года мы наконец сочли возможным выступить с заявлением о том, что новая частица – скаляр и по всем своим характеристикам точно соответствует бозону Хиггса, больше других обрадовались этому как раз те двое наших немолодых коллег, которые с особым трепетом следили за всеми фазами финального анализа. Теперь ни у кого не оставалось сомнений: их предсказания были абсолютно точны.

Год элегантных нарядов

Присуждение Нобелевских премий – процедура довольно сложная, но имеющая четкие рамки. Победителей чаще всего объявляют во вторую неделю октября, а сама церемония награждения и вручения медалей проходит в Стокгольме 10 декабря, в годовщину смерти Альфреда Нобеля.

Механизм запускается годом ранее, и начинается все со сбора номинаций кандидатов. Осенью некоторое число (год на год не приходится, но обычно их около тысячи) ученых с мировым именем получает письмо от Шведской академии наук. В нем предлагается до конца января выдвинуть одного или нескольких номинантов – в соответствии с приложенной инструкцией. В феврале этот длинный список начинает рассматривать небольшая группа ученых, назначенная Академией; им предстоит сократить его до нескольких имен. Решения, которые будут приняты, во многом зависят от мнений нобелевских лауреатов предыдущих лет, к которым члены этого маленького комитета обращаются за советами. Летом укороченный список основных претендентов бывает готов и начинается второй тур отбора: проведение конфиденциальных консультаций – с целью выяснения как окончательных точек зрения, так и имен тех, в отношении кого может быть использовано право вето. Эта фаза завершается формальным заседанием, на котором комитет излагает свое заключение. Такое заседание всегда назначается на начало октября, но теоретически (хотя этого никогда еще не было) может быть перенесено и на более поздний срок, если Академия вдруг не примет рекомендации комитета. Так или иначе, окончательное решение принимается на пленарном заседании Академии и сразу после этого обнародуется.

Осмотрительность Нобелевского комитета стала притчей во языцех: премию не дадут за результаты, которые не были многократно подтверждены, или за теории, которые не были проверены экспериментально. Именно поэтому Питеру Хиггсу и Франсуа Англеру пришлось ждать так долго. Но теперь всем было ясно, что их имена фигурируют в коротком списке фаворитов, хотя интрига, безусловно, сохранится до последней минуты. Прежде всего потому, что есть неформальное правило ротации областей знания, которые должны награждаться: физика частиц, астрофизика, физика твердого тела – с возможным включением каких‑то других ее разделов. Кроме того, надо всегда иметь в виду, что лауреатов не может быть больше трех. В действительности в завещании Альфреда Нобеля говорится о присуждении премии “тому человеку, который совершил важное открытие или сделал важное изобретение в области физики”[47], но с течением времени норма изменилась и стали награждать до трех лауреатов. Так что, помимо Хиггса и Англера, лауреатом мог стать и еще один ученый, работавший над теориями спонтанного нарушения электрослабой симметрии и ее механизмов.

Кое-кто даже допускал, что третья медаль может быть присуждена ЦЕРН. Правда, пришлось бы нарушить более чем столетнюю традицию, но ее ведь однажды уже нарушили, так почему бы не сделать это еще раз? Организация исследований пребывает в непрерывной эволюции, и должна же наконец Шведская королевская академия наук признать очевидный факт: если результат получен целой коллаборацией, в которой тысячи ученых, то выбрать для присуждения премии кого‑то одного очень сложно. И сейчас, возможно, самый подходящий случай, ибо открытие было сделано CMS и ATLAS благодаря высокой производительности LHC. Так почему бы не наградить премией всю эту международную организацию, сумевшую построить и скоординировать столь циклопическое предприятие?

В ЦЕРН многие поверили в реальность такой перспективы, а кое‑кто даже предпринял определенные шаги для оказания политического давления на наиболее известных членов Академии. Все эти маневры были неуклюжими, изначально обреченными на провал, но определенные надежды они, однако, породили.

8 октября 2013 года была среда, и мы все напряженно ожидали вестей. К 11 часам, когда должно было прозвучать вожделенное объявление, сотни наших сотрудников сгрудились вокруг экранов, подвешенных в разных частях лаборатории. Молодежь, как всегда, шутила: некоторые принесли с собой золотые шоколадные медальки, и одну такую мне даже повесили на шею, чтобы сделать фото. Как ни странно, сообщение о награжденных задерживалось, и поползли слухи, что это из‑за борьбы за третью медаль: мол, кто‑то предложил присудить ее ЦЕРН и началась перепалка. Наконец на экране показался спикер, и все смолкли; победителями стали Питер Хиггс и Франсуа Англер. Крики радости заполнили коридор, в потолок полетели пробки от шампанского, началось веселое празднование. Объявление меня не удивило: я знал, что так все и будет. Но когда спикер принялся читать мотивировочную часть, я разволновался: “…теория которых была подтверждена недавним открытием, совершенным в двух экспериментах на CMS и ATLAS, проведенных в ЦЕРН”. Когда я услышал эти слова о наших экспериментах, я понял, что сделанное нами вошло в историю.

На следующий день мне позвонил Франсуа Англер и, не слушая моих поздравлений, спросил: “Ты помнишь наш уговор? Готовься. В Стокгольм поедем вместе”. Так что этот год стал для нас годом элегантных нарядов. И в ЦЕРН, и в Пизе смеются, когда на страницах газет или на экранах телевизоров я появляюсь в официальном костюме, а не в привычных джинсах. Началось все со светло-синей тройки в сентябре 2012 года, когда президент Республики Джорджо Наполитано пригласил в Квиринальский дворец Серджо Бертолуччи и нас с Фабиолой, чтобы мы обратились по телевидению ко всем школьникам Италии.

Еще более элегантно пришлось одеться в апреле 2013 года, когда в Женеве нам вручали Премию по фундаментальной физике. Протокол предусматривал смокинг для мужчин и вечернее платье для женщин. Эта премия – одна из самых престижных в мире, и за открытие бозона Хиггса ее присудили “магической семерке”, как нас окрестила пресса. Лин Эванс, Джим Вирди, Фабиола Джанотти, Джо Инкандела, Петер Йенни, Мишель Делла Негра и я разделили между собой три миллиона долларов, которые российский миллиардер Юрий Мильнер, страстно увлеченный физикой, ежегодно вручает ученым за наиболее существенный вклад в фундаментальные исследования. Когда пришла телефонограмма с сообщением об этой премии, все подумали, что это какая‑то шутка. Я узнал об этом в Токио, где был на конференции. Мы ужинали в традиционном ресторане – одном из тех, где едят, сидя на полу с поджатыми ногами. Я вышел, чтобы никого не беспокоить, и мне понадобилось некоторое время на осознание того, что речь идет о чем‑то серьезном, так как Джо Инкандела, звонивший мне из ЦЕРН, непрерывно смеялся. Но потом мы оказались во Дворце конгрессов Женевы, а церемонию вел оскароносный Морган Фриман, и на ней предполагалось также награждение Стивена Хокинга, знаменитого физика из Кембриджа, уже много лет борющегося с тяжелой болезнью. А перед ее началом у нас был ужин в “Отель де Берг”, где, сидя рядом с Морганом Фриманом, одним из моих самых любимых актеров, я узнал, кроме всего прочего, что он искренне интересуется физикой; у нас с ним будет еще повод встретиться и провести вместе пару часов, обсуждая инфляцию, мультиверсум и экстраизмерения.

Во время церемонии перед нами сидело 500 приглашенных, и Фабиола в красном платье ярко выделялась на черно-белом фоне шестерых мужчин в смокингах. Мы видели среди тех, кто аплодировал в партере, знакомые лица. Это были молодые сотрудники двух наших экспериментов, люди, занимавшиеся связанными с бозоном измерениями. Здесь было много друзей, работавших с нами с самого первого дня, пионеров ATLAS и CMS, а также много физиков и инженеров, строивших и запускавших LHC. Единственное, что омрачало праздник, – среди награжденных не оказалось Стива Майрса. По каким‑то непостижимым причинам комитет, присуждавший премию, не счел его достойным. Я лично считаю это решение совершенно несправедливым.

Но верх элегантности был достигнут 10 декабря в Стокгольме, когда протокол требовал фрака, – по случаю вручения нобелевских премий и заключающего церемонию ужина в присутствии короля Швеции.

Как выяснилось, опасался я зря: портные Ганса Алльде прекрасно справились со своей задачей, и фрак сидел на мне как влитой. Наконец‑то я смог вздохнуть с облегчением. Когда мы встретились – я, Джим Вирди, Петер Йенни и Джо Инкандела, все как один похожие на пингвинов, – то разразились хохотом. Настроение у нас было прекрасное. Петер, обычно молчаливый и лаконичный, выказал себя блестящим спикером. На банкете он взял слово и был неотразим. А под конец, уже во время бала, завершающего вечер, он ходил по залам легкой походкой, шутил и похлопывал всех по плечу – просто удивительная случилась с человеком метаморфоза. На фотографии, оставшейся у меня с того вечера, мы стоим втроем: я – в центре, между ним и Франсуа, все трое немного хмельные; этот снимок – одно из самых дорогих для меня воспоминаний о том изумительном вечере.

У начала Вселенной

Открытие бозона Хиггса стало важной вехой в истории познания. Теперь мы можем точно реконструировать, что же произошло в первые мгновения после Большого взрыва, когда скалярное поле Хиггса заполнило всю Вселенную, проникая во все ее уголки, вплоть до самых далеких. Когда прошла лишь одна стомиллиардная доля секунды и началось то, что определит судьбу Вселенной, пока еще раскаленной, на миллиарды лет вперед.

Именно в этот момент бессчетное количество бозонов Хиггса, которые вот прямо только что еще двигались со скоростью света, вдруг конденсируется, образуя – отныне и навеки – вездесущее поле, поле Хиггса[48]. Электромагнитная сила, которая вплоть до сего момента выступала под ручку со слабой силой, расстается с нею навеки. Для фотонов, которые не взаимодействуют с полем Хиггса, ничего не меняется. А на W– и Z-бозоны поле, напротив, накидывает свою сеть, отчего они становятся такими тяжелыми, что не могут больше передавать слабые взаимодействия дальше, чем на внутриядерные расстояния. Наконец и элементарные частицы разделяются между собой – в зависимости от того, как они взаимодействуют с полем, – обретая через это безвозвратно различные массы.

Одно мгновение – и все поменялось навсегда.

Благодаря этому хитрому механизму материя обрела свойства, знакомые нам сегодня. Та масса, которую приобрели электроны, позволяет им размещаться на стабильных орбитах вокруг ядер, из‑за чего могут образовываться атомы и молекулы. Благодаря тому же механизму возникли огромные газовые туманности, из которых родились первые звезды, а потом галактики, планеты и звездные системы… постепенно дело доходит до живых организмов, которые становятся все более и более сложными, – и наконец появляемся и мы с вами. Без электрослабого вакуума, без этих стропил, на которых держится вся грандиозная материальная структура, которую мы называем Вселенной, всего перечисленного бы попросту не было.

Если бозон Хиггса, спустя миллиарды лет достойного служения, в какой‑то момент – завтра ли в 5.45 утра или на два миллиарда лет позже – ни с того ни с сего вдруг устанет либо сложит руки на груди и отправится бастовать, вся наша Вселенная превратится в один огромный огненный шар.

Открытие бозона Хиггса – это, безусловно, очередное достижение науки. Сегодня мы можем сказать, что начали понимать механизм нарушения электрослабой симметрии. Однако данный новый триумф Стандартной модели – триумф проблематический.

Мы уже знаем, что рано или поздно обязательно получим в свое распоряжение более общую теорию, которая будет не только объяснять материю в значительно более протяженном диапазоне энергий, но и включать в себя Стандартную модель в качестве частного случая. Мы знаем, что очень многое из того, в истинности чего мы уверены, не будет истинным при более высоких энергиях, недоступных нам сегодня. Стандартная модель лопнет, и обнаружатся новые фундаментальные взаимодействия или новые элементарные частицы, и будет объяснено пока еще необъясненное: инфляция, объединение с гравитацией, темная энергия.

Но в каком диапазоне энергий все это может случиться?

На этот вопрос, вновь приобретший актуальность, научная общественность ищет ответ уже много лет. Сейчас мы переживаем переломный момент научной революции, контуры которой станут ясны, возможно, лишь через несколько десятилетий.

Бозон Хиггса и Новая физика

Бозон Хиггса – совсем не такая частица, как все прочие. Давая массу всем другим частицам, связанное с ним поле взаимодействует и со всеми частицами, которые мы уже знаем, и со всеми другими, которые пока не открыты. Потому этот новичок сразу становится и новым инструментом исследования. Как если бы мы получили в свое распоряжение ультрачувствительную антенну, которая может дать нам кое‑какие знания даже о невидимых сторонах этого мира. Она получает сигналы, пусть слабые, но воспринимаемые, из самых темных уголков нашей Вселенной.

Вот почему, едва миновала эйфория от сделанного открытия, а элегантные наряды отправились в платяные шкафы, мы сразу вернулись к работе и стали искать ответы на длинный список вопросов. И прежде всего вот на какой: действительно ли пойманная нами частица одна-одинешенька, как ей и положено согласно Стандартной модели? Или ее окружают еще четыре компаньона, как следует из принципов суперсимметрии?

Под термином “суперсимметрия” вообще‑то скрывается обширное семейство теорий, хотя и сильно отличающихся друг от друга, но все же объединенных гипотезой, что существует специальное соотношение, которое каждому бозону, то есть частице с целым спином, ставит в соответствие фермион – частицу с дробным спином. Так что суперсимметрия сразу умножает на два число всех известных нам элементарных частиц. Для каждой должен быть суперпартнер со спином, отличающимся на 1/2.

В Стандартной модели фермионы – это частицы, из которых строится вещество, а взаимодействия в нем переносятся бозонами. В суперсимметричном мире все наоборот: частицы материи – с целым спином, а взаимодействия переносятся фермионами.

Этой симметрии надлежало быть точной сразу после Большого взрыва, но она должна была спонтанно нарушиться уже на одной из самых первых фаз развития Вселенной, в которой после этого нарушения нам осталась только обычная материя. Все суперсимметричные частицы, вероятно, исчезли – за единственным возможным исключением: нейтралино или каких‑то других нейтральных, стабильных и очень массивных частиц, участвующих только в слабых и гравитационных взаимодействиях. Возможно, именно из них и состоит темная материя. Отсутствие частиц суперматерии вокруг нас можно было бы объяснить тем, что суперсимметричные партнеры значительно более массивны, чем известные нам частицы. Но насколько именно они более массивны, нам знать не дано. Может быть, их масса – сотни ГэВ, а может быть, и несколько ТэВ или даже десятков ТэВ.

Если Сьюзи верна, то у нас уже есть по крайней мере один естественный кандидат в частицы темной материи – нейтралино. Но не только: присутствие суперсимметрии могло бы, по‑видимому, объединить все взаимодействия (кроме гравитации) в одну единую суперсилу, которая преобладала на ранних стадиях развития Вселенной, еще до конденсации хиггсовского поля. Нечего и говорить, что это было бы совершенно новое видение Вселенной.

Помимо прочего, Сьюзи предполагает, что у нас должно быть больше типов бозона Хиггса, которые, соответственно, образовывали бы целое семейство. Масса его самого легкого участника не должна превосходить 130 ГэВ, то есть он должен быть похож на бозон Хиггса в Стандартной модели – на тот, что мы наблюдали на LHC. Это наше открытие, кроме прочего, исключило те суперсимметричные модели, которые предполагают существование более легкого бозона Хиггса, с массой между 100 и 120 ГэВ. Многие из тех, где предполагалась масса около 125 ГэВ, выжили. Но чтобы доказать, что наблюдавшийся нами бозон – это в действительности супер-Хиггс, надо обнаружить либо кого‑то из его братьев в этом семействе, либо какие‑то аномалии в его взаимодействии с другими частицами.

С точки зрения квантовой теории, легкая скалярная частица вроде открытого нами бозона Хиггса – объект очень странный. Поскольку он предпочтительно взаимодействует с более тяжелыми частицами, у него привилегированная связь с топ-кварком. Так что мы можем представить его себе окутанным облаком топ-кварков, что должно, в теории, существенно отразиться на его массе. Выражаясь более точно, радиационные квантовые поправки к массе бозона неконтролируемым образом утяжеляют его до абсурдных значений, сильно превосходящих измеренные нами 125 ГэВ. Если же этого не происходит, то либо есть какой‑то неизвестный механизм, работающий ad hoc на то, чтобы защитить бозон от радиационных поправок, либо же для каждой поправки, утяжеляющей его, есть другая поправка, облегчающая его в той же самой пропорции. Эта вторая версия подтвердится, если окажется, что Сьюзи верна. У радиационных квантовых поправок к массе бозона Хиггса противоположные знаки для фермионов и бозонов, и поэтому для каждого положительного слагаемого, связанного с топ-кварком, должно быть и отрицательное, связанное с его суперпартнером, стоп-скварком. Тут стоит добавить, что в то время как постоянно окружающее бозон Хиггса облако частиц увеличивает его массу, облако их суперпартнеров, счастиц, уменьшает ее, и оба эти явления в точности компенсируют друг друга, так что масса бозона остается неизменной.

Резюмируя сказанное, можно утверждать, что присутствие суперсимметричных частиц представляло бы естественное объяснение, почему бозон Хиггса такой легкий, – и Сьюзи сохраняет свое очарование в том числе и по этой причине. Однако если этот гениальный механизм может работать, то и масса стоп-скварка не должна сильно отличаться от массы топ-кварка, равной примерно 173 ГэВ. И вот тут скрывается проблема: если стоп-скварки так легки, мы должны были бы видеть их в изрядных количествах. Но все предпринятые до сих пор попытки не дали никаких результатов, и мы теперь знаем, что если стоп-скварк и существует, его масса никак не может быть меньше 400–500 ГэВ.

И вообще – Сьюзи представляется чудотворной теорией, способной в одно касание решить любую из фундаментальных проблем современной физики (темная материя, великое объединение, загадка легкого бозона Хиггса), но и у нее есть слабое место: никому все еще не удалось найти ни одной из многочисленных частиц, предсказываемых этой теорией. При каждой попытке мы всего лишь получаем новый нижний предел для массы предполагаемой суперсимметричной частицы.

Если Сьюзи справедлива, то ее частицы должны быть очень тяжелыми, и, ввиду того, что нет никаких их следов, многие начинают думать, будто пора уже отказаться от исходного допущения. Но нет, пока это делать рано, и прежде всего потому, что в ближайшие годы у нас появится возможность систематически исследовать обширнейший диапазон энергий, в котором может скрываться множество сюрпризов.

Вот почему с открытием бозона Хиггса стали возникать все новые и новые области исследований.

С одной стороны, продолжается непосредственная охота за суперсимметричными частицами. Из-за возрастания рабочей энергии LHC, достигшей к 2015 году 13 ТэВ, есть шанс получить более массивные частицы, ускользавшие от исследователей при энергиях в 7–8 ТэВ. Теперь добавилось дополнительное ограничение, связанное с присутствием того самого объекта массой в 125 ГэВ. Мы уже знаем, что если не найдется стоп-скварков легче 2 ТэВ, то описанный выше механизм компенсаций, который казался таким элегантным и который позволял поддерживать Сьюзи ее sex appeal[49], ничем более оправдать будет нельзя и Сьюзи (или, во всяком случае, ее наиболее известный вариант) окажется в серьезном кризисе.

С другой стороны, братья бозона Хиггса разыскиваются в том же самом диапазоне, который уже внимательно исследовался в связи с поисками бозона Стандартной модели. Сделанного до сих пор пока недостаточно, так как идет поиск частиц со слишком различными характеристиками. У братьев бозона Хиггса другие каналы рождения и распада, и потому для их поиска нужны особые стратегии. К тому же тут потребуются значительные объемы данных, так как чем тяжелее частица, тем сложнее ее получить и тем реже она попадается.

Одновременно продолжаются исследования бозона Хиггса с массой 125 ГэВ. Стандартная модель предсказывает все ее характеристики с очень большой точностью. Все, что мы видели до сих пор, хорошо совпадает с предсказаниями, но наша точность ограничена небольшим количеством бозонов, которые нам удалось распознать. Во многих процессах распада погрешность наших измерений сильно превосходит 10 %. Она оставляет достаточно места для отличия истинных характеристик от измеренных, а аномалии, предсказываемые Сьюзи, проявятся в отклонениях всего на несколько процентных пунктов.

За прошедшие с момента открытия годы мы могли выделить на LHC десятки тысяч бозонов Хиггса, чтобы подробно изучать их свойства. Если бы мы заметили хоть какую‑то аномалию в них, мы бы получили непрямое указание на присутствие каких‑то новых частиц. У нас было бы научное доказательство существования Новой физики, и мы бы знали, при каких энергиях ее надо искать.

Знаете, какой тайной надеждой тешили мы себя в 2012 году? Только что открытый бозон Хиггса послужит нам в качестве портала в Новую физику и станет первым звеном в длинной цепи открытий.

Конец Вселенной

Электрослабый вакуум играет ключевую роль в эволюции Вселенной. После того как мы измерили с высокой точностью массу бозона Хиггса, в теории не осталось свободных параметров и мы можем воспользоваться Стандартной моделью и всем тем, что знаем о квантовой теории, для того, чтобы изучать эту самую эволюцию. В частности, едва только мы обнародовали первые данные относительно бозона, различные группы теоретиков спросили нас: а что бозон Хиггса с массой 125 ГэВ говорит нам об устойчивости электрослабого вакуума?

Сформулированный таким образом, этот вопрос кажется адресованным только специалистам, но в действительности он касается всех людей, потому что речь тут идет о судьбе нашей Вселенной. Спонтанному нарушению симметрии вакуума принадлежит решающая роль в регуляции механизма, определяющего правила игры фундаментальных взаимодействий и, соответственно, придающих очень специальную форму окружающей нас Вселенной. Характеристики электрослабого вакуума, при которых слабые и электромагнитные силы разделяются, можно изучать как функции многих переменных; две важнейшие из них – это массы топ-кварка и бозона Хиггса, двух самых тяжелых частиц в Стандартной модели. Теперь, хорошо зная эти две величины, стало возможно вычислить, как будет вести себя электрослабый вакуум в зависимости от энергии, и понять, как он сформировался в первые мгновения жизни Вселенной, а также сделать некоторые предположения относительно его эволюции в будущем.

Проведенные вычисления были довольно упрощенными. Предполагалось, что Стандартная модель справедлива при любых энергиях, а эта гипотеза, как мы знаем, может и не быть верна. Кроме того, не принималась в расчет та роль, которую могла играть гравитация, – а это может оказаться слишком грубым допущением, поскольку мы пока не поняли, что происходит при высоких энергиях с этим самым загадочным из взаимодействий. Тем не менее были получены весьма интригующие результаты, которые вызвали горячие споры, длящиеся до сих пор.

Используя массы топ-кварка и бозона Хиггса, можно построить своего рода диаграммы состояния электрослабого вакуума, то есть график, похожий на те, с помощью которых характеризуется физическое состояние жидкости, например воды. В самом деле: мы знаем, что в зависимости от давления и температуры вода может находиться в жидком, твердом или газообразном состоянии. В обычном состоянии, то есть при атмосферном давлении, при температуре ниже 0 °C вода замерзает, при температуре от 0 °C до 100 °C находится в жидком состоянии, а при температуре выше 100 °C переходит в газообразное состояние. Что‑то подобное происходит и с электрослабым вакуумом, состояние которого может изучаться как функция массы топ-кварка и массы бозона Хиггса, играющих роль, аналогичную той, что давление и температура играют для воды.

И тут нас поджидает сюрприз. На основании этого исследования становится ясно, что наша Вселенная какая‑то очень специальная. При существующих совершенно особых значениях массы топ-кварка и массы бозона Хиггса она оказывается в метастабильном состоянии, то есть заключенной в узком промежутке между областью устойчивого равновесия и бездной тотальной нестабильности.

Если бы массы топ-кварка и бозона Хиггса были чуть‑чуть другими, электрослабый вакуум оказался бы настолько нестабильным, что в нем была бы невозможна никакая эволюция: микроскопический разрыв в квантовом вакууме, проделанный Большим взрывом, немедленно бы затянулся, и все бы закончилось, не успев даже начаться. С этими же “совершенно особыми значениями” электрослабый вакуум, напротив, смог удержаться и закрепиться надолго, на целые миллиарды лет, позволив эволюции довести дело до появления нас с вами.

Но и стабильность при этом совсем не абсолютна. Если в какой‑то части Вселенной по какой‑то таинственной причине возникнет сгусток энергии, в миллиарды раз превосходящий ту, что мы производим в LHC, электрослабый вакуум может разрушиться. По всей вероятности, этот разрыв не будет оставаться локальным. Когда в какой‑то одной области система устремится к новому равновесию, весь избыток энергии, аккумулированный вакуумом, превратится в излучение, а весь космос – в огромный огненный шар.

Итак, мы приходим к двум возможным сценариям конца Вселенной. Если электрослабый вакуум удерживается, темная энергия будет отталкивать все от всего до тех пор, пока мрак и холод не воцарятся беспредельно. Ну, а изменение структуры вакуума (то есть космическая катастрофа) может, напротив, прервать замороженный макабрический танец темной энергии и вытолкнуть нас с этой сцены куда более решительным и значительно более эффектным пинком.

Однако у нас есть чем утешиться: оба эти сценария, судя по тому, что нам известно на сегодняшний день, в ближайшее время не реализуются. Так что мы все еще можем строить планы на летние каникулы или мечтать о пенсии. Очень вероятно, что у Вселенной есть в запасе несколько миллиардов лет относительно спокойной жизни.

Но интригует меня в этой истории вот что: метастабильное состояние нашей Вселенной, похоже, определяет связь между бренностью человеческого существования и шаткостью Вселенной в ее целокупности. Хрупкость человеческих существ, ненадежность наших тел, которые могут быть напрочь испорчены одним-единственным фрагментом ДНК, если в нем что‑то вдруг не сложится, или простым падением с лестницы, словно бы отражает космическую бренность, присущую даже окружающим нас галактикам и их скоплениям, когда‑то казавшимся нам бессмертными.

Следствия гипотез относительно стабильности электрослабого вакуума сильно подогрели интерес к теориям, в которых фигурирует мультиверсум. Если принимается та точка зрения, что наша Вселенная – одна из множества других вселенных, характеризующихся различными и случайными начальными условиями, то чего удивляться, что у нас такие исключительные значения масс у топ-кварка и бозона Хиггса? Окажись они другими, времени жизни Вселенной не хватило бы на появление живых существ, достаточно умных, чтобы задавать такие вопросы[50].

Картина становится более простой и понятной. Представим себе ребенка с завязанными глазами, вытаскивающего случайным образом фанты с номерами из вращающегося барабана, – вроде того, что используют при игре в лото. Каждый номер задает значение некоей фундаментальной константы в данной вселенной. Для бесчисленного количества вселенных эволюция окажется кратчайшей. Для везунчиков – какое‑то время продлится. Наконец, для супервезунчиков она продлится миллиарды лет, как у нас.

Дабы разобраться во всем этом, нам надо, чтобы LHC продолжал свою работу, а мы продолжали исследовать природу и строить новые ускорители. Электрон-позитронные, чтобы использовать их как фабрики миллиардов копий бозона Хиггса для дальнейшего и точного измерения всех его параметров. Протон-протонные с высочайшей энергией, чтобы исследовать подробности спонтанного нарушения электрослабой симметрии и искать новые частицы и новые взаимодействия.

Так началась охота за Новой физикой.