Неравный мир

450
0

Пока БАК готовится к запуску, читайте, как исследования на ускорителе в Подмосковье помогают прояснить несимметричность нашего мира.

– Помню, давным-давно, когда я еще учился в институте, все казалось более или менее понятным: чтобы создать весь мир, достаточно обычных протонов, нейтронов, электронов и пары других частиц. Ничего другого вокруг нас нет, да и не требуется, – рассказал Политеху доктор физико-математических наук Александр Михайлович Зайцев. – Однако окончательно успокоиться все-таки не получалось: мешали новые частицы, например, мюоны, открытые незадолго до того, перед войной.

Стоит сказать, что неуместными мюонами дело не ограничивалось. Еще в 1928 году было теоретически предсказано существование античастиц, а в 1932-м первые из них – позитроны – удалось обнаружить экспериментально. Мюон и вовсе «поймали» сразу с антимюоном: за обычным, привычным нам устойчивым миром открывался странный мир античастиц.

Александр Зайцев, заместитель директора по науке Института физики высоких энергий (ИФВЭ) НИЦ «Курчатовский институт», продолжает:

– У многих ученых эта ситуация вызывала изумление: непонятно, зачем эти мюоны вообще понадобились? У нас и так все хорошо, все на месте. Мы состоим из протонов, нейтронов, электронов. На Солнце идут термоядерные реакции, мы все это понимаем… Все это казалось удивительным.

Антикосмический антикорабль

Несколько десятков лет – и десятки новых открытых частиц – понадобились физикам, чтобы разобраться в проблеме хотя бы в общих чертах. Сегодня мы понимаем, что и протоны, и нейтроны – частицы составные, сложенные из еще более мелких частиц, кварков. Принято считать, что лишь они по-настоящему неделимы – и у каждой фундаментальной частицы, будь то кварк, мюон или электрон, есть собрат из «антимира». Практически неразличимый «антиблизнец».

– Когда-то популярным было такое упражнение для студентов-физиков, – продолжает Александр Зайцев. – Допустим, вы летите на космическом корабле и встречаете другой такой же корабль. Сможете ли вы, не вступая с ним в прямой контакт, определить, из чего он состоит – из вещества или из антивещества?…

В самом деле, с точки зрения привычных формул частицы и античастицы полностью одинаковы, просто некоторые их характеристики (например, электрический и лептонный заряды) меняют знак на противоположный. Если в формулах для их описания использовать зеркально отраженные системы координат, симметрия и вовсе будет полной. Однако именно из этой простой симметрии возникает главная проблема. Александр Зайцев поясняет:

– Сейчас считается, что в первые мгновения Большого взрыва еще не родилось ни частиц, ни излучения. Это было некое скалярное поле, своего рода «энергетический суп», в котором появлялись некоторые неоднородности. Возникла динамика, стали рождаться частицы и античастицы… Причем все происходило симметрично – сколько одних, столько же и других. Но затем во Вселенной проявилась зарядовая асимметрия: частиц стало немного больше, чем античастиц, затем еще больше… В итоге «выжило» только некоторое количество частиц, а античастицы все пропали, аннигилировали при встречах с частицами.

Все могло бы сложиться совершенно противоположным образом. Если бы характеристики фундаментальных взаимодействий были слегка другими, то именно античастицы доминировали бы во Вселенной, а обычных частиц практически бы не осталось. Впрочем, для нас никакой разницы бы не было, разве что мы наверняка называли бы античастицы просто частицами, а «обычные» частицы считали бы удивительным и странным антивеществом.

Однако все вышло именно так, и сегодня встретить античастицу непросто. Они лишь изредка появляются в самых сильных столкновениях частиц обычного вещества – и аннигилируют при первой же новой встрече с ними. Ну а сложенные из них антиатомы удается получить лишь считанными десятками штук, с огромным трудом и в очень сложных экспериментах на ускорителях. Недаром антивещество известно как самая дорогая субстанция в мире – по оценке, сделанной в 1999 году, один грамм элементарного антиводорода обошелся бы в 62,5 трлн долларов.

Физика ускоряется

Впрочем, ускорители частиц полезны не только возможностью организовать «фабрику античастиц». Именно они позволяют исследовать свойства вещества и антивещества, которые рано или поздно откроют нам тайну своей асимметрии. Работы в этом направлении проводятся и на ускорительном комплексе У–70, запущенном в ИФВЭ в подмосковном Протвино еще в 1967 году.

– Когда-то он был крупнейшим в мире, – вспоминает Александр Зайцев, работающий на У–70 с момента его открытия. – Сегодня это, конечно, не так: по современным меркам энергия, которую удается достичь на нем, – 70 ГэВ – далеко не рекордна. Но она по-прежнему оптимальна для исследования многих интересных и важных процессов.

К числу таких процессов относится распад каонов (К-мезонов), состоящих из кварка и антикварка. Это не самые тяжелые частицы, масса их составляет около 0,5 ГэВ – вдвое меньше, чем у протона и в 250 раз легче любимого всеми бозона Хиггса. Зато именно в распадах каонов обнаруживаются некоторые важные «странности». Это тот редкий, но вполне реальный случай, в котором можно видеть долгожданные признаки асимметрии частиц и античастиц.

– Кстати, это дает надежду выяснить, из чего сделан встреченный нами космический корабль, из вещества или антивещества, – добавляет Александр Зайцев. – Если каоны и антикаоны имеют разные вероятности распада по одним и тем же каналам, значит, как говорят физики, нарушается комбинированная четность, или СР-симметрия. Античастицы уже не являются столь однозначными «отражениями» частиц: между ними проявляется разница.

Именно такие явления были обнаружены в распадах нейтральных каонов и других частиц, содержащих тяжелые кварки. В принципе, Стандартная модель может объяснить некоторые из этих нарушений. Достаточно к двум легким кваркам, из которых состоят протоны и нейтроны, добавить две пары более тяжелых кварков и ввести еще пару лептонов, помимо давно известных электрона и нейтрино. Их физика будет достаточно сложна, чтобы из нее выводились нарушения СР-симметрии. К сожалению, на этом все далеко не заканчивается.

Даже с таким «расширенным» набором частиц Стандартная модель не в силах объяснить всеобъемлющую асимметрию Вселенной, которую мы наблюдаем в действительности: у нее должен иметься еще какой-то источник, пока совершенно непонятный. Александр Зайцев добавляет:

– Скорее всего, для этого нужны пока неизвестные частицы, которые могли действовать на ранних этапах жизни Вселенной, при очень высоких температурах. Это частицы намного тяжелее всего, что мы можем пока наблюдать. Этого «сверхтяжелого» мира мы пока не видим.

Сто лет до «новой физики»

– Надо сказать, что уровень нашего непонимания нарушений СР-симметрии просто поражает воображение, – продолжает Александр Зайцев. – Имеется ясная потребность в определенном явлении, имеются экспериментальные свидетельства, а внятной модели нет…

По счастью, недоступный нам мир сверхтяжелых частиц и сверхвысоких энергий может проявляться в некоторых тонких эффектах, наблюдать которые вполне возможно. Один из подходов к выяснению природы нарушения СР-симметрии – это максимально точные измерения процессов, связанных с переходом одних фундаментальных частиц в другие. В уравнениях Стандартной модели константы этих переходов жестко связаны друг с другом, поэтому физиков интересует любое – малейшее – отклонение от «законных» значений. Именно оно укажет на долгожданную «новую физику» за пределами Стандартной модели.

– Такие высокоточные измерения требуют огромных усилий, новых идей и времени. Ведь мы вынуждены разбираться в объектах, которые в десятки и сотни раз тяжелее всего, что можно получить на любом современном ускорителе. Чтобы добиться нужной точности измерений, требуется не просто зарегистрировать миллионы и миллионы очень редких событий, но и разобраться в многочисленных аппаратурных и других эффектах. Поэтому я не думаю, что какой-то один эксперимент, пускай и самый хороший, возьмет и решит фундаментальную проблему асимметрии одним махом, – резюмирует Александр Зайцев. – По-моему, для этого потребуется много – лет сто – упорного труда.

Если считать со времени начала работы ускорителя в Протвино или с открытия самого нарушения симметрии, то до понимания природы асимметрии Вселенной нам осталась еще половина пути – где-то полвека.