XXXVII. За гранью

Люди этой исследовательской группы рассказывают о том, как побывали на востоке – в тех областях, которые находятся все еще в пределах стандартной модели. Вооружившись недавно обнаруженным бозоном Хиггса, стандартная модель теперь может делать прогнозы для физики энергетических масштабов 10¹² эВ и выше, значительно выше масштаба нарушения симметрии электрослабого взаимодействия. Однако прогнозы в этом качественно новом режиме порождают новые вопросы.

По мере увеличения энергии столкновения увеличиваются и возможности для рождения высокоэнергетических объектов, таких как лептоны с большим импульсом и фотоны. Когда энергия становится выше уровня электрослабых взаимодействий, это означает, что объекты с массами вблизи этого уровня могут быть произведены с высокими энергиями и в больших количествах. При таком же столкновении могут быть получены истинные кварки и бозоны W, Z или бозоны Хиггса, но такие события мы никогда прежде не наблюдали. Описание таких столкновений с любой степенью точности требует усовершенствованных вычислительных методов. При условии, что необходимые теоретические расчеты сделаны (а то, что не сделано, делается прямо сейчас), эксперименты могут дать точные и подробные измерения для проверки этих расчетов.

Число наблюдаемых событий, зона доступа и точность будут увеличиваться до тех пор, пока с БАК будут продолжать поступать данные. Даже сама стандартная модель может еще породить фантастические создания. Примером одного из них является сфалерон.

Сфалерон – очень экзотическое порождение стандартной модели. Чтобы предсказать сфалерон, не пришлось даже выходить за ее рамки. Поскольку мы знаем, что бозон Хиггса существует, то должны существовать и сфалероны. Мы даже знаем их примерную долготу: они должны наблюдаться при энергиях около 10¹² эВ. Это выше, чем мы можем наблюдать в столкновениях LHC, потому что, хотя энергия протон-протонных столкновений выше этой, но она делится между многими кварками и глюонами, и поэтому не вся доступна для рождения новых объектов. (Вспомним, что целью ускорителя является концентрация энергии.) Но энергия, в которой должны появиться сфалероны, не слишком высока.

Чтобы получить представление о том, что такое сфалерон, давайте подумаем, как мы описываем квантовые частицы. Мы используем что-то под названием теория возмущений: берем приблизительно правильное начальное приближение и начинаем добавлять небольшие исправления, чтобы улучшить его шаг за шагом. Мы впервые столкнулись с этой идеей при попытке представить себе фотоны, которыми обмениваются частицы.

Но теория возмущений имеет свои пределы. Действительно, достаньте супницу с закругленным основанием из стойки. Поместите оливку на дно этой супницы. Представьте себе пустую Вселенную без энергии – это оливка. Добавим немного энергии, слегка потряхивая чашу из стороны в сторону. Оливка покатится на боковую стенку. Если энергия мала, то она снова опустится вниз, потом чуть поднимется на другую сторону и будет некоторое время продолжать такие колебательные движения.

Эти колебания соответствуют частицам в теории возмущений, пульсирующим вдоль пространства-времени своим веселым квантовым способом. Добавление небольшого количества энергии дает небольшое возмущение в рамках «все еще оливкового» сценария, и мы можем вычислить его эффект с помощью теории возмущений.

Но если вы добавите много энергии, оливка может закатиться за ободок чаши и плюхнуться в другую чашу, которую мы поместили рядом с первой. Это явление прыгающей оливки от одной чаши к другой и есть сфалерон – точка, в которой теория возмущений перестает работать, потому что картина радикально меняется. Сфалероны предположительно были в ранней Вселенной, потому что плотность энергии в те далекие времена была очень высока. И, похоже, они могли сыграть решающую роль в создании материи, какой мы ее знаем.

Существуют различные величины, которые не меняются в теории возмущений, величины, которые сохраняются, например среднее положение оливки. Иначе говоря, она проводит столько же времени на одной стороне чаши, как и на другой ее стороне; в среднем оливка находится на дне чаши. Но если этот «оливковый сфалерон» пробрался через ободок в следующую чашу, то его среднее положение переместится в центр следующей чаши. Закон сохранения будет нарушен. Сфалероны в ранней Вселенной тоже нарушают несколько законов сохранения, и один из них – это нарушение числа частиц. Они могут добавлять кварки и лептоны. В какой-то мере это объясняет, как вещество, из которого мы сделаны, появилось во Вселенной.

Существуют еще кое-какие экзотические явления, о которых частенько рассказывают в дешевых портовых кабачках. Большинство из них выходят за пределы стандартной модели, хотя некоторые и не покидают ее пределов, но выглядят весьма странно, и до сих пор их никто не наблюдал. Мы правильно делаем, что сохраняем трезвую голову и прекрасно понимаем, что нет никаких прямых экспериментальных доказательств правоты этих теорий, появившихся на свет за столами портовых кабачков. Все это просто домыслы: грезы или ночные кошмары. Но это не значит, что они полностью сумасбродны и бесполезны.

Тот факт, что теории, подобные суперсимметрии, способны связывать такие разрозненные наблюдения, как скорость нейтрино, измеренная в Антарктике, результаты экспериментов на БАК и наблюдения галактического вращения, показывает их полезность в качестве вспомогательного средства для исследования. Возможность отображать данные из таких различных экспериментов на одном графике, обсуждать их в одном контексте и измерять их по общей шкале имеет важное значение для оценки их относительной чувствительности к неизвестному, а также для поиска несоответствий – или, в случае обнаружения, для поиска согласования.

В отсутствие наблюдательных данных в нашем пабе станет ужасно трудно отличать фантастические домыслы от догадок разумных исследователей. Но это необходимо сделать, если вы пытаетесь решить, сколько времени и денег нужно вложить в погоню за фактами, которые лежат в основе этих гипотез. А теперь, чтобы оценить пару таких невероятных историй, слухи о которых дошли с самых краев нашей карты, мы снова возвращаемся к гравитации.