Достучаться до небес. Научный взгляд на устройство Вселенной - Лиза Рэндалл

Для любой физической модели, более фундаментальной, чем Стандартная модель, даже самое мелкое предсказанное отклонение — где внутренний механизм невиданной до сих пор теории даст видимый эффект — стало бы ценнейшим указанием на фундаментальную природу реальности. Отсутствие до сих пор подобных несоответствий говорит об уровне точности существующей теории и о том, насколько высокие энергии надо задействовать, чтобы обнаружить что‑нибудь новое, даже не зная в точности природы потенциально новых явлений.

Но настоящий урок эффективной теории заключается в том, что мы по–настоящему приходим к пониманию и объекта исследования, и связанных с этим ограничений только тогда, когда доходим до предела ее применимости. Эффективные теории, учитывающие существующие ограничения, не только классифицируют наши идеи на данном масштабе, но и говорят, при помощи каких последовательных методов можно определить, насколько серьезными могут оказаться новые эффекты при каждом конкретном значении энергии.

Измерения электромагнитного и слабого взаимодействий согласуются с предсказаниями Стандартной модели на уровне 0,1%. Частота столкновений частиц, их массы, скорости распада и другие характеристики совпадают с предсказанными величинами именно на этом уровне точности и сходимости. Таким образом, Стандартная модель оставляет место для новых открытий; новые физические теории, возможно, предскажут отклонения от нее, но эти отклонения должны быть достаточно слабыми, поскольку они оставались незамеченными до сих пор. Эффект от любого нового явления или фундаментальной теории должен оказаться слишком слабым, чтобы до сих пор его никто не заметил, — либо потому, что сами взаимодействия очень слабы, либо потому, что эффекты эти связаны со слишком тяжелыми частицами, которые не удается получить при достигнутых до сих пор энергиях. Существующие измерения демонстрируют, насколько высокие энергии нужны для непосредственного обнаружения новых частиц или новых взаимодействий, не способных вызвать более серьезных отклонений, чем позволяют текущие неопределенности. Они говорят нам также о том, насколько редкими должны быть подобные события. Существенно повышая точность измерений или проводя опыты в других физических условиях, экспериментаторы ищут отклонения от модели, при помощи которой до сих пор описываются все экспериментальные результаты физики элементарных частиц.

Нынешние эксперименты основаны на представлении, что новые идеи строятся на базе успешной эффективной теории, применимой на более низком уровне энергий. Их цель — открыть новое вещество или новые взаимодействия, не забывая, что физика собирает знания от масштаба к масштабу. Изучая явления при максимальных достижимых на БАКе энергиях, мы надеемся отыскать теорию, лежащую в основе всего, что мы до сих пор наблюдали. Даже если мы не сможем воочию увидеть никаких новых явлений, данные БАКа дадут нам ценные и жесткие ограничения на явления и теории, которые могут существовать за пределами Стандартной модели. И если наши теоретические рассуждения верны, новые явления со временем появятся, но на более высоких энергиях, нежели те, что генерирует сейчас БАК. Подобные открытия вынудят нас расширить Стандартную модель или включить ее в более полную концепцию. Мы полагаем, что более полная модель будет работать с большей точностью на более широком диапазоне расстояний и энергий.

Мы не знаем, которая из теорий окажется верной. Мы не знаем также, когда будут сделаны новые открытия. Ответы на эти вопросы зависят от того, как на самом деле устроен мир, — а мы этого не знаем, ведь иначе нам не пришлось бы ничего исследовать. Но для любой конкретной гипотезы об устройстве мироздания мы представляем, как вычислить проверяемые следствия и определить, когда примерно их можно будет проверить. В двух следующих главах мы рассмотрим, как проводятся эксперименты на БАКе, а затем в части IV поговорим о том, как физики создают модели и предсказывают, что можно будет увидеть в ходе эксперимента.

В августе 2007 г. испанский физики руководитель теоретической группы CERN Луис Альварес–Гаме настойчиво посоветовал мне присоединиться к экскурсии по эксперименту ATLAS, которую физики–экспериментаторы Питер Дженни и Фабиола Джанотти собирались провести для нобелевского лауреата Цзундао Ли и еще нескольких ученых. Невозможно было устоять перед заразительным энтузиазмом Питера и Фабиолы, которые в то время были официальными представителями этого проекта и щедро делились своими знаниями и опытом; их речь была буквально переполнена подробностями эксперимента.

РИС. 29. Взгляд вниз, в «гнездо» для детектора ATLAS, со специальной платформы наверху. Видны трубы, по которым вниз доставлялись детали и строительные материалы

Собравшиеся ученые надели защитные каски и вошли в туннель БАКа. Первой остановкой оказалась специальная площадка, с которой мы смогли заглянуть вниз в громадную выемку, как показано на фотографии (рис. 29). Гигантская полость с вертикальными трубами, по которым оттуда, где мы стояли, на дно полости — на стометровую глубину— предполагалось доставлять части детектора, поразила и заворожила меня. Мы с нетерпением ждали возможности взглянуть на все это поближе.

После первой остановки мы спустились вниз, на дно шахты, где размещался не собранный еще до конца детектор ATLAS. В его незаконченности была особая прелесть — можно было увидеть внутренности детектора, которые позже, разумеется, предполагалось закрыть и спрятать от глаз — по крайней мере до тех пор, пока БАК не будет выключен на длительное время для обслуживания и ремонта. Так что мы получили уникальную возможность заглянуть непосредственно в недра хитроумной и очень внушительной конструкции — разноцветного лабиринта, превосходящего по своим размерам неф собора Парижской Богоматери.

Но размер сам по себе — не главная достопримечательность детектора. На тех из нас, кто вырос в Нью–Йорке или любом другом крупном городе, громадные строительные проекты не производят особого впечатления. Экспериментальная установка ATLAS производит такое сильное впечатление потому, что этот громадный детектор составлен из множества маленьких чувствительных элементов, причем некоторые из них предназначены для измерения расстояний с точностью до микрона. Вообще, в экспериментах на БАКе заключена своеобразная ирония: чтобы точно измерить мельчайшие расстояния, приходится строить громадные установки. Сегодня, демонстрируя на публичных лекциях фотографию этого детектора, я считаю своим долгом обязательно подчеркнуть, что ATLAS —устройство не только большое, но и точное. Это и поражает.

Год спустя, в 2008 г., я вновь приехала в CERN и увидела, насколько продвинулось строительство ATLAS. Торцы установки, открытые в прошлом году, теперь были закрыты. Кроме того, я вместе с физиком Чинцией Да Виа и моим коллегой Гиладом Пересом (вы можете увидеть его на рис. 30) побывала на не менее впечатляющей экскурсии по CMS — второму универсальному детектору БАКа.