Частица Хиггса закрывает главу в физике частиц
Хаим Харари
Обнаружение частицы Хиггса (она же Божественная частица, она же, по словам Леона Ледермана, Дьявольская частица) предположительно закрывает главу в утверждении Стандартной модели физики частиц – так, во всяком случае, можно прочесть в газетах и услышать в заявлениях из Стокгольма. Теоретическое предсказание этой частицы в середине 1960-х и в самом деле было важным шагом в развитии Стандартной модели. Но в действительности ее обнаружение не отвечает ни на один из остающихся открытыми вопросов, которые не дают покоя теоретикам модели последние 30 лет.
Природа учит нас, что все сущее (впрочем, не все – как насчет темной материи и темной энергии?) сделано из 6 типов кварков (почему 6?) и 6 типов лептонов (почему тоже 6? почему то же самое число?). Они выстроены по четкому шаблону, который в точности повторяется (почему?) 3 раза (почему 3?). Все частицы этой дюжины типов частиц имеют положительный или отрицательный электрический заряд, точно кратный одной трети заряда электрона с множителем 0, 1, 2 или 3 (почему только эти и никакие другие заряды? И почему заряд кварка вообще связан с зарядом лептона?). Массы частиц могут быть описаны только примерно 20 свободными параметрами, не связанными друг с другом и, кажется, взятыми из результатов некой причудливой космической лотереи, различаясь между собой почти на 10 порядков.
Да, теория Хиггса дает нам соблазнительный механизм, который позволяет частицам получить массу и перестать быть безмассовыми. Но как раз это создает проблему. Почему именно эти массы? Кто выбрал именно эти цифры и почему? Может ли быть такое, что вся физика – и, соответственно, вся наука – основывается на том, что вся материя Вселенной создана из дюжины объектов с совершенно случайной массой, причем ни у кого нет ни малейшего представления об их происхождении?
Эти загадочные параметры массы предположительно отражают ту силу, в которой частица Хиггса «спаривается» с кварками и лептонами. Но это все равно что сказать, что вес дюжины людей отражает тот факт, что, когда они встают на весы, на шкале появляются определенные цифры. Не очень-то удовлетворительное объяснение. Основной вопрос Стандартной модели – тот же, что и вообще у физики: «А что дальше?» Что-то должно последовать за Стандартной моделью, что-то, что разрешит загадку темной материи, темной энергии, массы частиц и их простого, четкого и систематически повторяющегося шаблона.
Частица Хиггса не дает абсолютно ничего нового для решения этих загадок, если только не принять в качестве окончательного ответа, что частица Хиггса – это действительно Божественная частица и что исключительно по Божественному произволению частицы имеют такие именно массы, а не другие. Или, возможно, это не один Бог, а дюжина богов с разными числовыми предпочтениями. Хорошая новость состоит в том, что впереди нас ждут захватывающие открытия, которые расшифруют базовую структуру всего сущего за пределами той временно́й картины, которую предлагает нам Стандартная модель. У нас еще точно нет Теории Всего – еще и близко не лежало.
Эстетическая мотивация
Сара Демерс
У Стандартной модели физики частиц есть эстетические недостатки, которые заставляют нас спрашивать: почему в ней так много свободных параметров? Почему не существует единой, элегантной фундаментальной силы, которая отвечает за все силы? Почему имеется именно по три поколения у кварков и у лептонов? Почему, раз уже механизм возникновения масс у элементарных частиц нами открыт, взаимодействие всех прочих полей с полем Хиггса так сильно отличается от всех прочих взаимодействий, порождая такой огромный диапазон масс? Почему возникает еще более растянутый диапазон фундаментальных взаимодействий? Потенциальная опасность, которую заключает в себе каждый из этих вопросов, заключается в ответе: «Просто так уж это устроено».
Помимо этой эстетической озабоченности, мы видим противоречия между предсказанием и наблюдением в исследованной Вселенной. Мы пока не нашли источник энергии, которая питает ускоряющееся расширение; нам не хватает барионной материи для того, чтобы объяснить астрономические наблюдения. Мы живем в большом кармане этой материи, который не должен был бы пережить аннигиляцию. Куда бы мы ни посмотрели, мы везде видим доминирование материи над антиматерией – и не видим подходящей причины, которая могла бы объяснить эту асимметрию. Может быть, мы никогда не найдем решений этого набора проблем, но очевидно, что каждая из них требует как минимум дополнительной настройки, а еще лучше – фундаментальной переработки существующих моделей. То есть недостатком изящества дело не исчерпывается.
Экспериментаторы, и я в том числе, пытаются построить эстетически мотивированные (или хотя бы отчасти эстетически мотивированные) теории. После нескольких лет работы Большого адронного коллайдера на грани достижимых энергий и множества точнейших измерений, проведенных над частицами, ядрами и атомами во всем мире, в пространстве параметров «новой физики» были исключены целые обширные области. Теоретики реагировали на это поворотами и дилатациями в своих моделях, приспосабливая их к новым условиям и вынуждая нас работать во все более сложных условиях эксперимента.
Такой обмен казался полезным и определенно был забавным. Тесное взаимодействие обеспечило быстрый прогресс в проверке новых идей. Хотя поиски физики не-Стандартной модели привели скорее к новым ограничениям, нежели к открытию, это было захватывающе интересно – проводить измерения, которые могли бы дать свидетельства в пользу Теории Великого Объединения – то есть теории, которая, в отличие от Стандартной модели, объединившей три фундаментальных взаимодействия, объединила бы все четыре. Однако в нашу эру ограниченных ресурсов требуется более скрупулезная работа мысли. Самое время критически пересмотреть наши теоретические основы.
Включение доводов красоты в научный инструментарий позволило совершить огромные скачки вперед. Стремление к элегантности решений снова и снова помогало ученым открывать основополагающие структуры. Именно благодаря красоте науки многие из нас решили стать учеными. Я не хочу сказать, что мы должны навсегда отказаться от эстетического аргумента. Но в физике частиц мы сейчас переживаем период, очень богатый новыми данными – после многих лет, когда эти данные были весьма скудны (во всяком случае, на переднем крае изучения энергии).
В научной практике сейчас нет ничего более важного, чем позволить этим данным сказать свое решающее слово, а данные, которыми мы располагаем, могут многое сообщить о стандартной модели. Еще больше зависит от того, какие эксперименты мы решим проводить в будущем.
На этом этапе при 96 % «темного» содержимого Вселенной (материи и энергии) было бы ошибкой считать, что эстетические соображения в качестве аргумента в пользу той или другой теории могут как-то уравновесить противоречия. У нас пока нет объяснения темной энергии, у нас нет экспериментального подтверждения существования темной материи, нам пока непонятен механизм асимметрии материя – антиматерия – пока у нас так много пробелов, нам не стоило бы так уж заботиться об элегантности. Теоретики будут продолжать искать Теорию Великого Объединения, добиваясь прогресса в том числе через развитие математики. У экспериментаторов есть возможность и обязанность указать направление для этих поисков, продолжая свою агностическую охоту за противоречиями между нашими данными и предсказаниями Стандартной модели. Разумеется, это включает и доскональное измерение новооткрытого бозона Хиггса.
Мы готовы признать, что некоторые из моделей, разработанных нашими блестящими коллегами-теоретиками, могут оказаться чем-то вроде длинного паса наудачу, который неожиданно завершается изумительным (по-настоящему изумительным!) голом. Но больше похоже на то, что на следующий, значительно более высокий уровень познания мы поднимемся не в результате случайной удачи: нас заставят туда подняться жестко, болезненно детерминированные экспериментальные данные.