В воскресенье 23 ноября в лектории МУЗЕЯ МОСКВЫ на Зубовском бульваре продолжился Фестиваль публичных лекций #ЗНАТЬ. Вторую лекцию прочитал физик Михаил Данилов.
Член-корреспондент РАН, заведующий кафедрой физики элементарных частиц МФТИ Михаил Владимирович Данилов дал ответ на вопрос, закончено ли построение современной физики после того, как было подтверждено существование бозона Хиггса – последнего недостающего звена Стандартной модели.
В начале лекции Михаил Владимирович отметил, что объявить физику закрытой хотели уже не раз. Еще в 1900 году лорд Кельвин говорил: «В физике больше нельзя открыть ничего нового. Дальше просто будет расти точность измерений». Кельвин говорил лишь о двух облачках, затемняющих горизонт: проблемах с излучением абсолютно черного тела и со скоростью света. Казалось, что эти проблемы будут в ближайшем будущем разрешены, и ничего нового физики не откроют. Однако в процессе решения этих проблем появились квантовая физика и теория относительности, и все грандиозное здание физики предыдущей эпохи оказалось лишь ограниченной областью физической картины мира.
В 80-е годы Гелл-Ман, автор понятия «кварк», полагал, что перед физикой стоят лишь технические задачи. Но и это мнение не подтвердилось. Сейчас на небосклоне не два облачка, как когда-то думал Кельвин, а темные тучи – темная материя и темная энергия.
Дело в том, что все стройное здание Стандартной модели описывает лишь 5% того, что имеется во Вселенной. Темную материю и темную энергию Стандартная модель не охватывает. Не включает она в себя также и гравитацию.
Напомним, что, согласно Стандартной модели, все вещество состоит из 12 частиц: 6 лептонов (среди которых электрон, мюон, тау-лептон и три нейтрино) и 6 кварков, к каждой из них существует еще и античастица. Еще есть 12 античастиц. Все три взаимодействия, которые охватывает Стандартная модель, (электромагнитное, слабое и сильное) имеют своих переносчиков – бозоны. Фотон – это бозон электромагнитного взаимодействия. Слабое взаимодействие переносят W- и Z-бозоны, сильное взаимодействие обеспечивают восемь глюонов. Наконец, существует бозон Хиггса, благодаря которому частицы обретают массу.
Следует заметить, что для существования Вселенной было бы достаточно двух кварков (они обозначаются буквами u и d), однако существуют кварки второго поколения (s «странный» и c «очарованный») и третьего поколения (b «прелестный» и t «истинный»). Масса кварков в каждом следующем поколении выше. При этомконстанты связи кварков иерархично упорядочены. Наиболее высоки они между кварками одного поколения, чуть ниже – между кварками первого и второго поколений, еще ниже – между вторым и третьем поколением, наконец, совсем малы (такое взаимодействие было обнаружено лишь совсем недавно) – между третьем и первым поколением. При этом константы связи между разными нейтрино такой иерархии не демонстрируют.
С ростом энергии константы взаимодействий меняются из-за поляризации вакуума. В 2004 году Нобелевская премия по физике была присуждена за открытие эффекта «асимптотической свободы», при котором взаимодействие между кварками становится сколь угодно малым при уменьшении расстояния между ними.
Еще предстоит окончательно ответить на целый ряд вопросов. Почему существуют при поколения кварков? Почему массы кварков столь значительно различаются? На первый из этих вопросов предложили ответ Макото Кобаяси и Тосихидэ Маскава, объяснив этим существование спонтанного нарушения симметрии между материей и антиматерией (СР-симметрии), обнаруженной ранее экспериментально. А. Д. Сахаров в 1968 году предположил, что именно нарушение СР-симметрии сделало возможным существование нашего мира, так как, если бы после Большого взрыва образовалось равное количество материи и антиматерии, это привело бы к взаимной аннигиляции и переходу всей материи в энергию. Однако пока обнаруженные механизмы недостаточны, чтобы полностью объяснить избыток материи во Вселенной.
Как заметил Михаил Данилов, если до появления Большого адронного коллайдера Стандартная модель была справедливой до энергии в 10 ТэВ, то теперь ее справедливость подтверждена до уровня в 1019 ГэВ. Предлагается ряд расширений Стандартной модели, которые должны описывать и темную материю, например, теория суперсимметрии.
Но где будут проходить эксперименты, направленные на подтверждение этих теорий? Михаил Данилов немного рассказал и об этом. Сейчас проходит модернизация Большого адронного коллайдера, в результате которой энергия столкновения протонов будет увеличена с 8 ТэВ до 13 ТэВ. Новые эксперименты на нем начнутся уже в 2015 году. Также сейчас идет подготовка другого ускорителя – Международного линейного коллайдера (ILC). Он будет построен в Японии. В нем физики будут сталкивать не адроны, а электроны и позитроны. Группа отечественных ученых из МИФИ и ИТЭФ разработала для ILC детекторы на основе кремниевых фотодетекторов (SiPM). Также в Японии сейчас готовится «суперфабрика В-мезонов» на базе ускорителя KEKB. На исследование В-мезонов возлагают особые надежды, так как их распад чувствителен к хиггсковскому бозону. Есть и ряд других проектов, например, компактный линейный коллайдер (CLIC) в ЦЕРНе.
Ранее М. В. Данилов выступал в проекте «Публичные лекции Полит.ру» с лекцией на тему «Материя, антиматерия, темная материя». Также на сайте можно прочитатьинтервью с ученым.
Проблемам современной физики элементарных частиц, Стандартной модели, бозона Хиггса, суперсимметричной модели, нарушению CP-симметрии посвящен ряд других наших публикаций:
Что лежит за пределами Стандартной модели
Открытие бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере
Бозон Хиггса: полвека от гипотезы до Нобелевской премии
Квантовая запутанность и гравитация
