Так для чего же все таки построили адронный коллайдер? На какие вопросы должна ответить машина размером с город и стоимостью 10 миллиардов долларов? По возможности популярно мы постараемся ответить на эти вопросы.
Главная цель коллайдера – поиск бозона Хиггса. Что это такое? Если кратко, то ученые пытаются найти частицу, ответственную за наличие массы. В макро-мире физических объектов масса интуитивно понятна: слон большой и тяжелый, а муравей маленький и легкий. Но почему так сильно различаются массы частиц микро-мира? Масса одних частиц на 11 порядков превосходит массу других, а у третьих массы нет вовсе! Официальная современная научная доктрина, так называемая Стандартная Модель, объясняет это следующим образом. Все пространство пронизано неким полем Хиггса. Частицы, двигаясь в этом поле, испытывают сопротивление, и чем больше это сопротивление, тем большую массу приобретает та или иная частица. Иными словами, масса — это что-то типа силы трения, которую испытывает частица о поле Хиггса. Это можно представить как движения шариков в очень вязкой жидкости: некоторые шарики слабо взаимодействуют с полем и «проскакивают» не приобретая массы, другие увязают и приобретают значительную массу.
Бозон Хиггса в этой теории – некая частица, ответственная за это самое поле Хиггса (примерно, как электро-магнитное поле и фотон). Другие частицы взаимодействуют с бозоном Хиггса, поглощают его и приобретают массу, а при определенных условиях теряют бозон Хиггса. Базон назван в честь Питера Хиггса, описавшего данное взаимодействие еще в 60-х годах прошлого века. Кстати, в мае 2009 года, когда планируется получить первые положительные данные о существовании бозона, Питеру Хиггсу исполнится 80 лет. Получится хороший подарок на юбилей.
Не углубляясь в квантовую физику скажем, что бозон Хиггса обладает рядом экзотических свойств, которые значительно усложняют его обнаружение. Второе что стоит знать: если бозон Хиггса не будет найден, то это будет означать слом теперешней научной теории. Какой бы правдоподобной она не казалась до сих пор, ее ждет судьба «Стандартной Модели» средневековья, где над плоской Землей реяли драконы, а ангелы молоточками вбивали в небосвод алмазные гвоздики, кажущиеся снизу звездами. Это проливает свет на вопрос, почему ученые не поскупились и потратили 10 миллиардов долларов на коллайдер.
Еще дело осложняет тот факт, что бозонов Хиггса, возможно, несколько видов, проявляющих себя в различных ситуациях. Поэтому бозон планируется искать параллельно несколькими методами (сталкивая различные частицы), каждый из которых (или все вместе) должны привести к рождению частицы. Однако, даже когда будет обнаружена частица, похожая на бозон Хиггса, еще предстоит доказать что это именно он. Зная предсказанные свойства, например нулевой электрический заряд частицы, ученым предстоит, как заправским баллистикам-криминалистам, восстановить полную картину каждого эксперимента: с какими зарядами частицы столкнулись и какой суммарный заряд имели «осколки» — и только после этого можно что-то сказать о бозоне. И экспериментов потребуется много. Выше мы говорили, что чем тяжелее частица, тем больше бозонов к ней «прилипло» — следовательно, вероятности выявления бозонов в экспериментах с разными частицами будут отличаться. А чтобы оценить эту вероятность надо накопить достаточную статистику экспериментов. Чтобы оценить сложность этого процесса приведем следующую диаграмму:
Линии разных цветов – это разные пути «рождения» бозона Хиггса в экспериментах с различными частицами. Все что ниже пунктирной линии – это рузультаты в пределах погрешности, они не могут служить доказательством. Из схемы видно, что только при накоплении данных кривые начинают выходить на уровень выше пунктира. Для одних экспериментов (обнаружение «легкого» бозона Хиггса) потребуется 2-3 года, для других («тяжелый» бозон) результат будет получен в 2010 году, а для бозонов «средней массы» и того скорее – в 2009 году. Черная линия выше цветных линий показывает, что параллельно проводимые эксперименты суммарно дадут наибольший выигрыш. Еще эта диаграмма показывает, что квантовая физика довольно скучное занятие – никто с криком «Эврика!» не побежит по коридору, нажав кнопку коллайдера и увидев красивую вспышку. Годы и годы повторяющихся экспериментов, рутинная обработка данных на компьютерах, оценка вероятностей и погрешностей, накопление статистики, бесконечные колонки цифр – после такого не жизнеутверждающего процесса даже признание пресловутого бозона Хиггса покажется скорее вымученным результатом, чем ярким открытием
Чтобы подсластить пилюлю скажем, что последствия обнаружения бозона Хиггса сейчас совершенно не ясны. Пока речь идет лишь о подтверждении некоей глобальной теории. Будет ли иметь практический смысл обнаружение частицы, способной управлять массой? Оптимист тут же бы стал фантазировать про антигравитационные двигатели и полеты к звездам, пессимист отверг бы все это со смехом. Время покажет, и, возможно, довольно скоро.
Приведем такую историческую параллель. Генрих Герц экспериментально продемонстрировал электро-магнитные волны в 1888 году, будучи уверенным что его открытие может быть интересно только ученым-физикам. Но всего через 6 лет, в 1894 году британский ученый Лодж, выступая перед Королевским научным обществом с докладом памяти Герца (в год смерти ученого), показал возможность практического применения электро-магнитных волн – передатчик передал сигнал на радио со звонком в соседний зал. А еще через 2 года, в 1896 году, Маркони, со своим пробивным талантом предпринимателя, понес знамя радио по всему миру. Таким образом, менее чем за десять лет открытие из области теоретической физики превратилось в повсеместно используемую вещь, без которой уже невозможно представить жизнь современного человека (сотовый телефон, телевизор и пр.).
P.S.
Поиски бозона Хиггса – основное, но не единственное назначение коллайдера.
Второстепенные задачи:
— Поиск частиц вне Стандартной модели.
— Поиск магнитных монополей – частиц, обладающих магнитным полем.
— Исследование квантовой гравитации.
— Исследование микроскопических черных дыр и излучения Хокинга.