Вторая фаза работы Большого адронного коллайдера .
Cамый крупный ускоритель заряженных частиц - Большой адронный коллайдер - будет перезапущен сегодня. Являясь самым дорогим инструментом, созданным человечеством БАК вобрал в себя самые передовые технологии. В его строительстве и исследованиях участвовали и участвуют более 10 тысяч учёных и инженеров из более чем 100 стран мира. Но для чего столь грандиозные усилия?
1. Обнаружение бозона Хиггса.
Стандартная Модель, описывающая взаимодействия элементарных частиц, четыре фундаментальных взаимодействия не описывала, как рассчитать массу элементарных частиц. Даже больше. Стандартная модель с её симметриями "запрещала" частицам иметь массу. Хиггс теоретически обосновал, что масса некоторых частиц (электроны, мюоны, некоторые другие тяжелые частицы) возникает при взаимодействии их с неким полем. Это поле всепроникающее, и взаимодействуя с этим полем некоторые частицы, получают массу. Обнаружение частицы Хиггса блестяще подтвердила эти теоретические построения.
2. Следующий вопрос, который предстоит решить - это изучение тёмной материи.
Известно, что 25% всей массы Вселенной приходятся на тёмную материю. Некоторые её свойства уже понятны. Она способна объединятся, подобно обычной материи в сгустки, создавая некие протяжённые структуры. Она не распадается, и почти не взаимодействует с обычной материей.
Исследование гравитационного линзирования указывает на то, что в области скопления Галактик присутствует достаточно значительная масса, искривляющая свет. При этом могут появляться несколько образов удалённой Галактики. Искривление света зависит от распределения массы в скоплении, независимо от того, какие частицы эту массу создают. Восстановленное таким образом распределение массы показано на правой половине рисунка голубым цветом; видно, что оно сильно отличается от распределения светящегося вещества. Измеренные подобным образом массы скоплений галактик согласуются с тем, что темная материя вкладывает около 25% в полную плотность энергии во Вселенной.
Неоднородность температуры и плотности в ранней Вселенной 10↑-4-10↑-5 от средних значений.
Именно из этих неоднородностей плотности возникли галактики и скопления галактик: области с более высокой плотностью притягивали к себе окружающее вещество за счет гравитационных сил, становились еще более плотными и в конечном итоге образовывали галактики.
Поскольку начальные неоднородности плотности известны, процесс образования галактик можно рассчитать и результат сравнить с наблюдаемым распределением галактик во Вселенной. Этот расчет согласуется с наблюдениями, только если предположить, что помимо обычного вещества во Вселенной имеется другой тип вещества - темная материя, вклад которой в полную плотность энергии сегодня составляет около 25%.
Открытие новых частиц тёмной материи и изучение их свойств станет важнейшим научным достижением. Эти частицы расскажут нам о свойствах Вселенной через 10↑-9 с (одна миллиардная секунды!) после Большого Взрыва, когда температура Вселенной составляла 10↑15 градусов, и частицы темной материи интенсивно взаимодействовали с космической плазмой. Впрочем, ещё более загадочной субстанцией представляет собой тёмная энергия, обладающая такими странными свойствами как антигравитация, отрицательное давление, всеобщее проникновение и равномерное распределение в пространстве. Исследование природы тёмной материи и тёмной энергии станет главной задачей физики XXI - XXII века.
3. Суперсимметрия.
Суперсимметрия - это гипотетическая симметрия между фермионами и бозонами. Теории, использующие эту идею, оказываются удивительно мощными, и потому именно с суперсимметрией многие связывают надежды на открытие физики за пределами Стандартной модели. Однако до сих пор не было получено ни одного убедительного доказательства в пользу того, что суперсимметрия реализуется в нашем мире. Ее поиск является одной из главных задач Большого адронного коллайдера. Главная проблема с экспериментальной проверкой суперсимметрии состоит в том, что нет однозначных оценок масштаба масс: это может быть и 1 ТэВ, и на порядки больше. Если окажется, что LHC не видит ни малейшего намека на суперсимметричные частицы, идея суперсимметрии не будет закрыта, а лишь слегка потускнеет ее привлекательнось для теоретиков.
Как будут искать суперсимметричные частицы? Так как столкновения высокоэнергичных протонов происходит практически "по оси" их движения, то суммарный поперечный импульс всех рождающихся частиц после столкновения тоже должен иметь поперечную компоненту равную нулю. Поэтому если поперечный импульс всех измеренных частиц заметно отличается от нуля, то значит, в столкновении родилась одна или несколько частиц, которые унесли с собой недостающий поперечный импульс. Если при анализе этих событий будет получатся, что поперечный импульс не может быть объяснён ни нейтрино, ни другой, известной сейчас частице, то можно будет говорить о возможном открытии первой суперсимметричной частице. Поскольку скварки и глюино - суперпартнеры кварков и глюонов - тоже чувствуют сильное взаимодействие, они будут рождаться среди суперчастиц чаще всего. Поэтому процесс вида «несколько адронных струй плюс пропавший поперечный импульс» будет одним из самых четких проявлений суперсимметрии.
Пока экспериментальные данные не могут подтвердить теорию суперсимметрии. Однако это не должно ставить крест на эти теории. Если LHC так и не найдет никаких ее проявлений, это уже будет иметь более серьезные последствия для ограниченных моделей, но формально не закроет саму идею. Вторая фаза работы Большого адронного коллайдера станет новым существенным этапом в поиске суперсимметрии.
4. Теории с сильной гравитацией
При энергиях элементарных частиц, доступных на ускорителях, гравитация по-прежнему остается исключительно слабой, так что заметить ее проявления не удается. Однако ее сила растет с ростом энергии, и при энергиях столкновения порядка планковской она станет столь же важной, как и другие взаимодействия. В этом случае в полный рост встает исключительно сложный вопрос о том, как включить гравитацию в квантовое описание микромира. Поскольку гравитация в современной физике считается проявлением кривизны пространства-времени, успешная теория с сильной гравитацией должна описывать в рамках единого формализма не только все взаимодействия и всё вещество, но и структуру пространства-времени.
Одним из наиболее привлекательных путей решения этого вопроса является теория суперструн и ее дальнейшее развитие в виде теории бран и М-теории. В этих теориях считается, что фундаментальными объектами, существующими в многомерной вселенной, являются не точечные частицы, а протяженные объекты - струны, мембраны и еще более многомерные образования. В этой теории были получены впечатляющие успехи при высоких энергиях, однако при попытке вывести свойства нашего низкоэнергетического мира из теории суперструн возникает обескураживающая неопределенность предсказаний.
Долгое время казалось, что проверка предсказаний теории суперструн лежит далеко за пределами возможностей человечества, поскольку речь идет об энергиях, на 15 порядков превышающих энергии современных ускорителей. Однако примерно 10 лет назад возникло новое направление развития теории, в котором гравитация становится сильной на энергиях порядка 1 ТэВ. Такая возможность возникает в том случае, если наш мир более чем трехмерный и если при этом новые дополнительные пространственные размерности достаточно протяженны: либо они бесконечны, либо свернуты в многомерные петельки размером много больше ядерного масштаба.
В этом случае на LHC следует ожидать целый ряд совершенно замечательных эффектов, отсутствующих в Стандартной модели, например, рождение гравитонов, которые будут улетать из нашего мира в дополнительные измерения, и микроскопических черных дыр, тут же испаряющихся с испусканием множества обычных частиц. Будут также наблюдаться сильные отклонения от предсказаний Стандартной модели в столкновении обычных частиц. Стоит, впрочем, подчеркнуть, что пока нет никаких экспериментальных подтверждений того, что эта красивая гипотеза имеет отношение к нашему миру.
Заключение
Естествознание сейчас находится в начале нового, необычайно интересного этапа своего развития. Он замечателен прежде всего тем, что наука о микромире - физика элементарных частиц - и наука о Вселенной - космология - становятся единой наукой о фундаментальных свойствах окружающего нас мира. Различными методами они отвечают на одни и те же вопросы: какой материей наполнена Вселенная сегодня? Какова была её эволюция в прошлом? Какие процессы, происходившие между элементарными частицами в ранней Вселенной, привели в конечном итоге к её современному состоянию? Если сравнительно недавно обсуждение такого рода вопросов останавливалось на уровне гипотез, то сегодня имеются многочисленные экспериментальные и наблюдательные данные, позволяющие получать количественные ответы на эти вопросы.
http://elementy.ru/LHC/HEP/SM/beyondSM
http://elementy.ru/news/431868
http://elementy.ru/lib/430904
http://elementy.ru/LHC/LHC/why
http://elementy.ru/LHC/news?theme=5271854
http://elementy.ru/news/432038
http://elementy.ru/LHC/LHC/tasks/SUSY