Есть что-то метафизическое в том, что законы микромира, мира элементарных частиц и высоких энергий, — ключ к пониманию устройства Вселенная. За вторую половину ХХ века физики разработали и экспериментально подтвердили основные положения так называемой Стандартной модели, описывающей полный набор элементарных частиц и взаимодействий между ними. Загадки, однако, остались. Разгадав их, учёные получат совершенно новую физику.

 

 

 

 

Почему мир есть?

Одна из главных загадок природы элементарных частиц звучит почти по-хайдеггеровски, как основной вопрос философии: «Почему вообще есть сущее, а не, наоборот, Ничто?» Почему частиц во Вселенной больше, чем античастиц, а материи больше, чем антиматерии? Если следовать современным представлениям о физике частиц, то в результате Большого взрыва материи и антиматерии должно было появиться в равных количествах. Правда, в этом случае Вселенная почти сразу бы и исчезла в результате аннигиляции. Но Вселенная и мы существуем, а значит, в наших представлениях о природе есть какая-то неувязка.

Эксперименты на ускорителях частиц показывают, что дисбаланс в пользу материи относительно невелик: вместе с 10 млрд античастиц во время возникновения Вселенной появилось 10 млрд частиц плюс ещё одна. Основная масса Вселенной тут же аннигилировала, но оставшихся единиц вполне хватило, чтобы образовать видимый сегодня космос. Откуда же взялся этот дисбаланс? Физика пока не знает. Точнее, физики пока пользуются тем объяснением неравенства антиматерии, которое было сформулировано ещё полвека назад в виде принципа нарушения CP-симметрии в слабом взаимодействии, за экспериментальное подтверждение которого американским физикам Кронину и Фитчу в 1980 году была присуждена Нобелевская премия.

Проблема только в том, что этот принцип предполагает дисбаланс, но для полного объяснения его недостаточно. Некоторые теоретики полагают, что за дисбаланс отвечает гипотетическая частица мажорон, которая может возникать при аннигиляции электрона и позитрона и, распадаясь, порождать неравные количества вещества и антивещества. Но покамест мажоронов никто не видел.

Стерильное нейтрино

Ещё одна зацепка в проблеме нехватки антиматерии — четвёртое нейтрино. В Стандартной модели их, правда, всего три (электронное, мюонное и тау), однако в ходе экспериментов, проводившихся в 1990-х годах на установке LSDN в Национальной лаборатории в Лос-Аламосе, были получены результаты, указывающие на то, что может существовать и четвёртый вид нейтрино, названный стерильным. Поскольку обнаружение нейтрино, частицы, исключительно слабо взаимодействующей с обычным веществом, занятие крайне сложное, а стерильное нейтрино, возможно, вообще взаимодействует с веществом практически только потому, что у него есть масса, — подтвердить эти результаты другая группа экспериментаторов, работавшая в Лаборатории им. Э. Ферми, не смогла.

Существование стерильного нейтрино, однако, интересует не только потому, что очень подходит на роль тёмной материи, которую всё никак не могут найти астрофизики, но и могло бы помочь с проблемой антиматерии. В этом году исследования частицы сдвинулись с места. Физикам пришло в голову, что проверочный эксперимент был не очень «стерильным», поскольку в лаборатории в Лос-Аламосе физики искали и вроде бы нашли антинейтрино, а экспериментаторы из лаборатории Ферми работали с нейтрино. И хотя между нейтрино и антинейтрино должна существовать симметрия, ещё не доказано, что она действительно есть. Да и существование Вселенной — наглядное подтверждение нарушения фундаментальной симметрии.

Данные новых экспериментов указывают на то, что мюонные антинейтрино (в отличие от мюонных нейтрино) и вправду, прежде чем превратиться в электронные нейтрино, сначала проходят стадию стерильных антинейтрино. Если полученные результаты не статистическая ошибка, то, возможно, на сакраментальный вопрос Хайдеггера у физиков нашёлся ответ.

Впрочем, остаётся ещё надежда на Большой адронный коллайдер, частицы в котором сталкиваются на таких скоростях, что энергии их взаимодействия может оказаться достаточно для обнаружения самых экзотических частиц — от до сих пор ещё не найденных бозонов Хиггса, существования которых требует Стандартная модель, или даже монополей.

Невидимая магнитная монополия

Электричество и магнетизм, хотя и являются частью одного и того же электромагнитного поля, почему-то не похожи на близнецов. В самом деле, элементарные электрические заряды — отрицательные и положительные — хорошо известны: их носителями являются соответственно электроны и протоны, к примеру. А вот одинокого магнитного полюса пока никто не наблюдал — у всех магнитов их сразу два. Как-то несимметрично.

Симметрия — при всём том, что физика вроде бы не должна опираться на классическую эстетику, — играет важную роль в теоретических построениях учёных, и пока по праву. Во всяком случае, пока все обнаруженные частицы, предсказанные в рамках Стандартной модели, образуют вполне гармоничную конструкцию: для «обустройства» всего вещества достаточно 6 кварков и 6 лептонов, а для работы электромагнитного, слабого и сильного полей достаточно 4 частиц — переносчиков взаимодействия. И это вроде бы подтверждает стремление физиков к симметрии и унификации. В конце концов с электромагнитным и слабым взаимодействием всё получилось как нельзя лучше: в зависимости от энергии и дистанции взаимодействия единое электрослабое поле проявляет себя или как слабое, или как электромагнитное. С продолжением объединения, впрочем, выходят некоторые проблемы. Как минимум в эту красоту пока плохо вписывается четвёртая главная сила Вселенной — гравитация. Но и с давно и хорошо известным электромагнетизмом странность: ему нужен монополь.

Предсказанный ещё в 1930-х годах великим французским физиком Полем Дираком носитель одиночного магнитного заряда играет ключевую роль в единой теории поля, которая стремится описать все четыре взаимодействия в виде проявления одной суперсилы, существовавшей во Вселенной в первые мгновения Большого взрыва. Кроме того, они должны существовать в природе, поскольку этого требует квантовая механика. Зарегистрировать их, впрочем, пока не удалось. Не обнаружили их следов в потоках частиц, которые с огромной скоростью обрушиваются на планету из космоса. Возможно, энергии БАКа хватит, чтобы получить их искусственно.

Взрыв капли

Кстати, Большой адронный коллайдер, оправившись после преследовавших его аварий, наконец начал оправдывать возложенные на него ожидания. Первые результаты есть, и они, к радости физиков, оказались неожиданными.

В перекрашенный день календаря, 7 ноября 2010 года, в БАКе физики провели серию экспериментов, в ходе которых сталкивались разогнанные до почти световой скорости ядра свинца. В результате на мгновения образовались сверхплотные и очень горячие (с температурой порядка 10 трлн градусов) «капли» из «кирпичиков» вещества — кварков и глюонов — частиц, из которых состоят образующие ядра протоны и нейтроны.

Получившийся «суп из части» — кварк-глюонная плазма — это именно то состояние, в котором пребывала Вселенная через несколько микросекунд после своего рождения. Параметры этой плазмы удивили исследователей: «суп» и правда оказался жидким, то есть плазма вела себя как сверхплотная и сверхгорячая жидкость с практически нулевой вязкостью, но ничем не напоминала газ, в отличие от обычной плазмы.

В ходе эксперимента учёным не удалось достигнуть порога насыщения, такой плотности плазмы, после которой никаких новых частиц в результате столкновения больше не может образоваться. Столкнувшиеся же ионы свинца породили частиц значительно больше, чем ожидали физики. Может быть, это удастся сделать в 2013 году, когда ускоритель выйдет на плановую мощность — в два раза больше нынешней. Тогда, рассчитывают учёные, возможно, и жидкая плазма станет газом.