Новые закрытия в физике, или Темное остается темным

[Александр]

Главная / Наука и технологии

Алексей Алексенко / 30.11.12

Новые закрытия в физике, или Темное остается темным

Результаты эксперимента на Большом адронном коллайдере с огромной точностью подтвердили, что физики пока ничего не понимают

Всего реплик: 65

Участники дискуссии: Степан Пачиков, Мария Генкина, Сергей Кондрашов,Владимир Владимирович Громковский, Артем Донец, Alexei Tsvelik,Сергей Любимов, Karina Khalilova, Алена Рева, Tania Ratcliff,Наталья Старокожева, Алексей Алексенко, Мария Дубровина Гончаренко,Ирина Камаева, Павел Тихомиров, Алиса Мясищева

Фото: Getty Images/Fotobank

+T-

Этим летом одна девушка как-то говорит: «Приходи ко мне в гости, расскажешь про темную материю».

Ну, я, конечно, сразу начал об этом думать. Лежу этак в ванне и размышляю про суперсимметричные частицы под названием «зИно» и «вИно», и как я буду ей про них рассказывать. Так ничего и не вышло из этого плана. И хорошо, что не вышло: похоже, суперсимметричные частицы тут вообще не у дел.

Но по порядку.

В физике много тайн. Вот, например, одна тайна: массу всей материи на свете проще всего определить по притяжению (ну, как массу бараньей ноги на рынке определяют по притяжению ее Землей). У притяжения много разных эффектов: можно измерить, как галактики притягивают летающий вокруг них хлам, или как вся Вселенная притягивает саму себя и не дает себе разлететься слишком быстро. И в общем цифры все сходятся: получается какое-то общее количество всего на свете, в килограммах. Проблема в том, что непонятно, из чего эти килограммы складываются: того, что мы знаем (суммы всех бараньих окороков, планет, звезд и межзвездной пыли) далеко не достаточно, чтобы дать такую огромную массу. Ага, сказали ученые, кроме обычной материи должна существовать какая-то ТЕМНАЯ материя. Ее должно быть много, и она притягивает другую материю по законам гравитации, но больше никак себя не проявляет и ни с чем не взаимодействует. То есть проходит сквозь нас как нож сквозь масло и свет не заслоняет. Что бы это могло быть? Тайна номер раз.

А вот тайна номер два: материя, которую мы знаем (звезды, планеты и бараньи окорока), состоит из элементарных частиц. Их описывает так называемая Стандартная модель. В ней на самом деле не так легко разобраться, но вот главное: на свете бывают бозоны и фермионы. Фермионы — это примерно то, что мы называем материей: электроны, нейтрино и два типа кварков, и каждой этой штуки бывает три семейства (поколения), и еще они могут быть обычной материей или антиматерией. Бозоны — это примерно то, что мы называем «полями»: фотоны, глюоны и три типа слабых бозонов, ну и Хиггс, конечно, и, наверное, гравитон... А вот почему фермионы бывают именно такие, а бозоны совсем другие, непонятно, хоть режь. Некрасиво, несимметрично.

Когда физики говорят о симметрии, они имеют в виду довольно сложную математику, но глубоко внизу лежит вполне детское представление: если справа есть башенка, то и слева должна быть башенка. Если слева башенки нет, то либо ее еще не достроили (или она сломалась), либо она, к примеру, на заднем фасаде здания, а мы просто не видим всей картины. Ну как-то так они рассуждают, одурманивая при этом себя формулами.

Вот так и со Стандартной моделью: раз она такая несимметричная, подумали физики, значит, мы просто не видим всей картины. Наверняка есть и другие бозоны и фермионы, причем каждому фермиону соответствует бозон, а бозону — фермион. Тогда все башенки и карнизы складываются в волшебный замысел архитектора. Этот замысел, пока не обнаруженный, назвали суперсимметрией. А не видим мы всех этих недостающих суперсимметричных частиц потому, что они очень тяжелые и нам в наших ускорителях не хватает энергии, чтобы их рожать.

А есть ли они во Вселенной? Где бы они могли прятаться? Ну так вот же где: они как раз и могут быть той самой темной материей! Вот как раз если бы бозонам слабого взаимодействия — W-бозону и Z-бозону — соответствовали какие-нибудь тяжеленные фермионищи, они могли бы быть темной материей, ни с чем не взаимодействующей, но тяжелой. Их даже назвали по первым буквам (и по аналогии с «нейтрино») — «вИно» и «зИно». Там еще и «фотино» был, и «нейтралино», но это сейчас неважно.

И вот пару недель назад обнаружилось, что это все как-то не складывается. Прочитать об этом по-английски — если кого-то мое русскоязычное паясничанье только отвлекает от сути — можноздесь. Дело в том, что на Большом адронном коллайдере обнаружили достаточно редкое событие. Они там сталкивают протоны и ядра, и из образовавшегося месива кварков разлетаются разные частицы. Например, там иногда получается такая штука, состоящая из «странного» кварка и «прелестного» антикварка. Она может распадаться на разные частицы, в том числе — очень редко — на пару мюон-антимюон (мюон — это то же, что электрон, но второго семейства-поколения). Именно такие распады и зафиксировали недавно на коллайдере.

Такое событие происходит редко: согласно данным эксперимента, примерно в трех с половиной случаях на миллиард. С другой стороны, вероятность такого события можно подсчитать на основе квантовой механики и Стандартной модели. Расчет требует учитывать все возможные промежуточные события: например, перед тем, как окончательно распасться на такие-то частицы, наша штука может сперва порождать разные пары частиц, которые будут тут же исчезать, и для точного расчета следует учитывать все возможные варианты (к счастью, чем больше таких промежуточных событий, тем обычно меньше их вклад в конечный результат). Но чтобы учесть все варианты, надо точно знать, какие бывают частицы. А каких не бывает никогда.

Ну так вот, расчет на основе Стандартной модели дает для мюонного варианта распада значение «три события на миллиард». То есть: в эксперименте получено три с половиной или чуть меньше, теория дает три. Это значит, что Стандартная модель — нелепая, асимметричная и непонятно откуда взявшаяся — дает значение, с потрясающей точностью соответствующее реальности. А вот если мы украсим Стандартную модель суперсимметрией — добавим к ней недостающие, по нашему мнению, башенки и карнизы, — результат неизбежно будет другим (обычно получается больше): ведь такую чертову уйму новых частиц придется принимать в расчет. Итак, дорогие суперсимметричные частицы вИно и зИно: кажется, пора с вами прощаться, потому что вас нет и никогда не было. Это еще не окончательно, но это уже очень похоже на правду.

Физики-теоретики очень не любят Стандартную модель, за то что она такая нелепая и непонятно почему именно такая. А физики-экспериментаторы не любят теоретиков и обожают Стандартную модель за то, что по ней все можно рассчитать, и еще за то, что они ее понимают, а того, что придумывают теоретики, понять не могут, хоть режь. Вот один из экспериментаторов, участвовавших в описанном эксперименте на коллайдере, радуется в своем блоге тому, как столь желанная теоретикам «новая физика» получила чувствительный удар от физики старой и привычной.

Я лично не понимаю, чему он так радуется. Мы остаемся при своих непонятках. То есть по-прежнему не знаем, что такое темная материя, если никаких других частиц, кроме включенных в Стандартную модель, не существует. Мне, например, будет обидно, если я так и помру, не узнав, как на самом деле все на свете устроено. Суперсимметрию особенно жалко: они уже успели встроить ее в теорию струн, им придется много всего ломать и переделывать, чтобы как-то починить свое научное мировоззрение.

Эйнштейн как-то ляпнул, что самое удивительное во Вселенной — ее познаваемость. Но еще удивительнее будет, если она познаваема ровно до той степени, которая доступна среднему физику-экспериментатору (Стандартная модель), а на более высоких уровнях Всемогущий Творец просто не озаботился прописать скрипт, то есть на повышенные интеллектуальные запросы физиков-теоретиков махнул Своей божественной рукой. Но если Он так и сделал, это будет новым и необычным доказательством Его существования, мне кажется.

Всего реплик: 65

Участники дискуссии: Степан Пачиков, Мария Генкина, Сергей Кондрашов,Владимир Владимирович Громковский, Артем Донец, Alexei Tsvelik,Сергей Любимов, Karina Khalilova, Алена Рева, Tania Ratcliff,Наталья Старокожева, Алексей Алексенко, Мария Дубровина Гончаренко,Ирина Камаева, Павел Тихомиров, Алиса Мясищева

Теги: физика, темная материя, наука

[Тамара]

Спасибо, Александр.

Пролили свет на это темное дело.

Интересно и главное доступно пониманию.