Мы на пороге новой революции в фундаментальной физике?

Современная фундаментальная физика частиц — это направление физики, исследующее мельчайшие составляющие нашей Вселенной. Благодаря таким исследованиям ученые пытаются выяснить, что происходило в первые мгновения после ее возникновения. Это позволяет лучше понять, из чего состоит наш мир и как все в нем взаимосвязано. Такие научные поиски не только раскрывают тайны строения материи, но и постепенно заполняют пробелы в нашем понимании природы Вселенной. И вот недавно, в марте, было сделано новое открытие, которое еще больше приоткроет занавес над тайнами Вселенной.

От частицы до Вселенной: как физика ищет ответы

Одним из ключевых прорывов последних десятилетий стало открытие бозона Хиггса — элементарной частицы, отвечающей за возникновение массы у других частиц. Она является проявлением так называемого поля Хиггса, с которым взаимодействуют все частицы: чем сильнее это взаимодействие, тем больше их масса. Без бозона Хиггса не существовала бы стабильная материя, и Вселенная выглядела бы совсем иначе.

Но остается открытым вопрос: почему разные частицы получают настолько разные массы? Разница между самой массивной и самой легкой элементарными частицами достигает миллионов раз. Бозон Хиггса объясняет, как частицы приобретают массу, но не объясняет, почему именно такой является величина массы для каждой из них. Это одна из самых интересных загадок, над которой работает современная физика частиц.

Вселенная построена из множества элементарных структур, объединенных в сложные формы — клетки, звезды и галактики. Все состоит из молекул, молекулы — из атомов, а атомы — из электронов, протонов и нейтронов. Эта картина знакома многим еще со школы, но дробление Вселенной на этом не останавливается. Протоны и нейтроны состоят из еще меньших, неделимых, частиц — кварков. Они являются «кирпичиками» для построения всего многообразия Вселенной. В целом известно о шести типах кварков. Но только два самых легких — up и down — создают наш мир. Другие, более тяжелые, кварки возникают в высокоэнергетических процессах, например, в Большом адронном коллайдере. Самый тяжелый из них — топ-кварк.

Топ-кварк сильнее всех известных частиц взаимодействует с бозоном Хиггса и поэтому может помочь нам лучше понять механизм формирования массы во Вселенной и, соответственно, ее существования.

Топ-кварк и большая интрига: что увидели на грани возможного

Топ-кварк — это настоящий гигант среди кварков. Его масса приблизительно такая же, как у целого атома золота, хотя сам он чрезвычайно маленький и нестабильный. Топ-кварк существует всего лишь миллионные доли секунды после своего рождения, сразу распадаясь на другие частицы. Из-за такой короткой «продолжительности жизни» он не успевает образовать стабильные комбинации с другими кварками, называемыми адроны.

Впрочем, представления ученых несколько изменились в марте, когда ученые, проводившие эксперимент CMS на Большом адронном коллайдере, обнаружили аномальный излишек пар топ-кварков именно на пороге энергии, необходимой для их создания. Это может свидетельствовать о существовании топония — частицы, состоящей из двух топ-кварков, которую раньше считали практически недостижимой для наблюдения. Это стало неожиданностью для физиков и напомнило сообществу о другой неожиданности, произошедшей более 50 лет назад.

В ноябре 1974 года мир физики всколыхнула так называемая Ноябрьская революция, когда почти одновременно две научные группы — в Брукхейвенской национальной лаборатории (США) и в Стенфордском линейном ускорителе — открыли новую частицу, названную чармонием. Как и топоний, чармоний был полнейшей неожиданностью. Самая распространенная теория включала только три типа кварков, которые к тому времени уже были открыты. Но существование чармония можно было объяснить только существованием дополнительного кварка. Ученые поэтически назвали его «волшебным» (англ. charm — отсюда и чармоний), ведь эта новая фундаментальная частица буквально очаровала их. Она принесла своим открывателям Нобелевскую премию и открыла путь к построению современной теории квантового мира — так называемой Стандартной Модели — и многим другим открытиям, в частности топ-кварка. Ноябрьская революция стала символом того, как новые экспериментальные открытия могут коренным образом изменить представления о природе Вселенной.

В 1974 году ученым понадобилось всего несколько недель, чтобы подтвердить открытие чармония, который приблизительно в сто раз легче топония. В случае с топонием все сложнее: вероятность создания топониев намного ниже, а экспериментальные условия — значительно более требовательные. Поэтому для подтверждения этого открытия понадобится больше времени, усилий и точности. Если дальнейшие эксперименты подтвердят, что эта частица действительно является топонием, это может означать новый прорыв в понимании квантовой физики.

Стоим ли мы на пороге новой научной революции?

Впереди — годы исследований, теоретических расчетов, анализа данных и новых экспериментов. Физики ожидают, что следующие десятилетия могут стать периодом новых прорывов в квантовой физике. Именно для этого готовятся масштабные обновления Большого адронного коллайдера и детекторов, установленных на нем. А уже в конце июня этого года физики со всего мира встретятся в Италии на Венецианском симпозиуме, где будут обсуждать планы Европы по исследованию физики частиц на следующие десятилетия.

Современная физика частиц — это не только поиск новых частиц. Это поиск ответов на самые глубокие вопросы о том, из чего состоит наша Вселенная, как она работает — и почему она вообще существует. И, возможно, топ-кварк только что открыл перед нами новые двери.