Розділ без назви (34)

Нерозумний не хоче навчатися, а тільки свій ум показати.

Приповісті 18:2

У певному сенсі нашу оповідь можна було б на цьому закінчити, оскільки ми досягли межі нашого безпосереднього емпіричного знання про всесвіт у його фундаментальних масштабах. Але ніхто не каже, що нам слід перестати мріяти, навіть якщо наші мрії не завжди приємні. До липня 2012 року фізиків елементарних частинок мучили два нічні кошмари. Перший — що LHC не виявить зовсім нічого. Якби так сталося, він напевне став би останнім великим прискорювачем, збудованим задля дослідження фундаментальної будови космосу. Другий кошмар полягав у тому, що LHC виявить бозон Хіггса… і все.

Щоразу, як знімається один шар реальності, на горизонті починають майоріти наступні. Тож загалом кожне важливе нове досягнення науки ставить більше запитань, аніж дає відповідей. Проте воно також зазвичай дає нам принаймні нариси плану подальших дій, які можуть підказати, як почати пошук відповідей на ці запитання. Відкриття бозона Хіггса, а заодно й підтвердження існування в просторі невидимого фонового поля Хіггса стали ґрунтовним підтвердженням зухвалих наукових досягнень ХХ століття.

Проте досі не втратили актуальності слова Шелдона Ґлешоу: бозон Хіггса подібний до туалету. Він приховує всі неприємні подробиці, про які краще не згадувати. Поле Хіггса при всій своїй вишуканості в рамках Стандартної моделі є, по суті, ім­провізованим додатком. Його додали до теорії задля коректного моделювання світу наших чуттів. Проте теорія не вимагає його існування. Усесвіт міг би спокійно собі існувати й без далекосяжної слабкої сили та безмасових частинок. Хіба що ми не існували б, щоб ними перейматися. Мало того, вище було показано, що детальні фізичні властивості бозона Хіггса в рамках самої лише Стандартної моделі невизначені. Бозон Хіггса міг би спокійно бути вдвадцятеро важчим чи в сотню разів легшим.

Чому ж тоді бозон Хіггса взагалі існує? І чому він має таку масу, яку має? (Знов-таки будемо свідомі того, що, коли науковці питають «Чому?», насправді мають на увазі «Яким чином?») Якби бозон Хіггса не існував, не існував би світ, який ми бачимо, проте, звісно, це не пояснення. Чи все-таки пояснення? Урешті-решт розуміння базисної фізики, яка лежить в основі бозона Хіггса, еквівалентне розумінню того, як так сталося, що існуємо ми. Запитання «Чому ми існуємо?» на фундаментальному рівні еквівалентне запитанню «Чому існує бозон Хіггса?» І Стандартна модель не дає відповіді на це запитання.

Утім, деякі підказки, одержані з поєднання теорії з експериментом, усе-таки є. 1974 року, невдовзі після укорінення фундаментальної структури Стандартної моделі та задовго до експериментального підтвердження всіх її подробиць упродовж наступного десятиліття, у Гарварді, де тоді працювали і Ґлешоу, і Вайнберґ, дві різні групи фізиків помітили дещо цікаве. Ґлешоу на пару з Говардом Джорджі зробили те, що Ґлешоу вмів робити найкраще: почали шукати закономірності серед наявних частинок і сил та відшукувати нові можливості за допомогою математики теорії груп.

Згадаймо, що в Стандартній моделі слабка й електромагнітна сили об’єднані на високоенергетичному масштабі, проте в спостережуваних масштабах, коли симетрія спонтанно порушується конденсатом поля Хіггса, маємо дві окремі та чітко відмінні сили, причому слабка сила стає близькодійною, а електромагнітна залишається далекосяжною. Джорджі та Ґлешоу спробували розширити цю ідею, додавши сильну силу, та виявили, що всі відомі частинки та три негравітаційні сили можна природним чином вмістити в єдину фундаментальну структуру симетрії більшого калібрування. Далі вони припустили, що ця фундаментальна симетрія може спонтанно порушуватися на деякому надвисокому енергетичному та малому лінійному масштабі, який лежить далеко поза межами досяжності поточних експериментів, унаслідок чого утворюються окремі сильна та електрослабка сили. Відповідно, на меншому енергетичному та більшому лінійному масштабі порушується електрослабка симетрія, розділяючись на близькодійну слабку й далекосяжну електромагнітну сили.

Вони скромно назвали цю теорію теорією Великого об’єд­нання (ТВО).

Приблизно в той же час Вайнберґ і Джорджі разом із Гелен Квінн помітили дещо цікаве, що випливало з праці Вільчека, Ґросса та Поліцера. Тоді як сильна взаємодія в міру її вимірювання на все менших лінійних масштабах слабшала, електромагнітна та слабка взаємодії сильнішали.

Не треба було бути науковцем-ракетником, щоб замислитися, чи не стають сили цих трьох різних взаємодій ідентичними на якомусь малому лінійному масштабі. Виконавши обрахунки, вони виявили (з точністю тодішніх вимірювань сили взаємодій), що таке об’єднання можливе, проте лише в тому випадку, коли розмірність об’єднання приблизно на п’ятнадцять порядків менша за розмір протона.

У разі, якщо об’єднана теорія була теорією, яку запропонували Джорджі та Ґлешоу, то були гарні новини, оскільки, якщо об’єднати всі спостережувані в природі частинки в цій новій групі великого калібрування, мають існувати нові калібрувальні бозони, які породжують переходи між кварками (з яких складаються протони й нейтрони) та електронами й нейтрино. Це означало б, що протони можуть розпадатися на інші, легші частинки. Як висловився з цього приводу Ґлешоу, «діаманти не вічні».

Навіть тоді вже було відомо, що протони мають неймовірно тривалий час життя. І не лише тому, що ми продовжуємо існувати, хоча від Великого вибуху минуло майже 14 мільярдів років, а ще й тому, що ми всі не помираємо від раку ще дітьми. Якби середній час існування протонів був менший за мільярд мільярдів років, за час нашого дитинства в наших тілах розпалася б кількість протонів, якої вистачило б для породження достатньої кількості радіації, щоб нас убити. Згадаймо, що у квантовій механіці всі процеси мають імовірнісний характер. Якщо середній протон живе мільярд мільярдів років, то, якщо хтось складається з мільярда мільярдів протонів, у середньому щорічно розпадатиметься один із них. А наші тіла містять знач­но більше, ніж мільярд мільярдів протонів.

Проте з огляду на неймовірно малу запропоновану лінійну розмірність, а отже, неймовірно велику розмірність маси, пов’я­з­ану зі спонтанним порушенням симетрії у ТВО, нові калібрувальні бозони повинні б мати великі маси. Це зробило б переносимі ними взаємодії настільки близькодійними, що на нинішніх масштабах протонів і нейтронів вони були б неймовірно малими. Як наслідок, тоді як протони здатні розпадатися, згідно з цим сценарієм вони можуть існувати до розпаду десь близько мільйона мільярдів мільярдів мільярдів років. Жодних проблем.

• • •

У зв’язку з результатами Ґлешоу та Джорджі, а також Джорджі, Квінн та Вайнберґа в повітрі запахло великим синтезом. Після успіху електрослабкої теорії фізики елементарних частинок почувалися амбітними та готовими до подальших об’єднань.

Проте хто сказав, що ці ідеї слушні? Побудувати прискорювач для дослідження енергетичного масштабу у мільйон мільярдів разів більшого за енергію маси спокою протона, просто неможливо. Кільце такої машини повинно мати довжину орбіти Місяця. І навіть якби це було можливо, то з огляду на попередню катастрофу із SSC жоден уряд нізащо не виписав би такий чек.

На щастя, був інший спосіб із використанням ймовірнісних аргументів на кшталт тих, які я навів вище, описуючи час життя протонів. Якщо ця нова теорія Великого об’єднання передбачить, що час життя протона становить, скажімо, тисячу мільярдів мільярдів мільярдів років, то, якщо знайти спосіб помістити в один детектор тисячу мільярдів мільярдів мільярдів протонів, у середньому щороку розпадатиметься один із них.

Де взяти стільки протонів? Дуже просто: у приблизно трьох тисячах тонн води.

Отже, було потрібно лише взяти бак із, скажімо, трьома тисячами тонн води, помістити його в темряву, пересвідчитися у відсутності радіоактивного фону, розставити навколо чутливі фотоелементи, здатні зафіксувати спалахи світла в детекторах, а тоді почекати рік, виглядаючи спалах світла, що супроводжуватиме розпад протона. Яким би складним не здавалося це завдання, принаймні два великі експерименти збудували й ввели в експлуатацію саме з такою метою, один — глибоко під землею в соляній шахті поблизу озера Ері, а другий — у шахті поблизу Каміоки (Японія). Шахти були необхідні для екранування від зовнішніх космічних променів, які створили б радіаційний фон, що заглушив би всі сигнали розпаду протона.