Чи ми на порозі нової революції у фундаментальній фізиці?

Сучасна фундаментальна фізика частинок — це напрям фізики, що досліджує найдрібніші складники нашого Всесвіту. Завдяки таким дослідженням учені намагаються з’ясувати, що відбувалося в перші миті після його виникнення. Це дає змогу краще зрозуміти, з чого складається наш світ і як усе в ньому взаємопов’язане. Такі наукові пошуки не лише розкривають таємниці будови матерії, а й поступово заповнюють прогалини в нашому розумінні природи Всесвіту. І от нещодавно, у березні, було зроблено нове відкриття, яке ще більше привідкриє завісу над таємницями Всесвіту.

Від частинки до Всесвіту: як фізика шукає відповіді

Одним із ключових проривів останніх десятиліть стало відкриття бозона Гіґґса — елементарної частинки, яка відповідає за виникнення маси в інших частинок. Вона є проявом так званого поля Гіґґса, з яким взаємодіють усі частинки: що сильніша ця взаємодія, то більшою є їхня маса. Без бозона Гіґґса не існувало б стабільної матерії, і Всесвіт виглядав би геть інакше.

Однак залишається відкритим запитання: чому різні частинки отримують настільки різні маси? Різниця між наймасивнішою й найлегшою елементарними частинками сягає мільйонів разів. Бозон Гіґґса пояснює, як частинки набувають маси, але не пояснює, чому саме такою є величина маси для кожної з них. Це одна з найцікавіших загадок, над якою працює сучасна фізика частинок.

Всесвіт побудований із безлічі елементарних структур, що поєднуються в складні форми — клітини, зірки й галактики. Все складається з молекул, молекули — з атомів, а атоми — з електронів, протонів і нейтронів. Ця картина знайома багатьом іще зі школи, але подрібнення Всесвіту на цьому не зупиняється. Протони й нейтрони складаються з іще менших, неподільних частинок — кварків. Вони є «цеглинками» для побудови всього різноманіття Всесвіту. Загалом відомо про шість типів кварків. Але тільки два найлегших — up і down — створюють наш світ. Інші, важчі кварки виникають у високоенергетичних процесах, наприклад, у Великому адронному колайдері. Найважчий із них — топ-кварк.

Топ-кварк найсильніше з усіх відомих частинок взаємодіє з бозоном Гіґґса й тому може допомогти нам краще зрозуміти механізм формування маси у Всесвіті й, відповідно, його існування.

Топ-кварк і велика інтрига: що побачили на межі можливого

Топ-кварк — це справжній гігант серед кварків. Його маса приблизно така сама, як у цілого атома золота, хоча сам він надзвичайно малий і нестабільний. Топ-кварк існує лише мільйонні частки секунди після свого народження, одразу розпадаючись на інші частинки. Через таку коротку «тривалість життя» він не встигає утворити стабільні комбінації з іншими кварками, що звуться адрони.

Втім, уявлення науковців дещо змінились у березні, коли вчені, які проводили експеримент CMS на Великому адронному колайдері, виявили аномальний надлишок пар топ-кварків саме на порозі енергії, необхідної для їх створення. Це може свідчити про існування топонію — частинки, що складається з двох топ-кварків, яку раніше вважали практично недосяжною для спостереження. Це стало несподіванкою для фізиків і нагадало спільноті про іншу несподіванку, що відбулася більш як 50 років тому.

В листопаді 1974 року світ фізики сколихнула так звана Листопадова революція, коли майже одночасно дві наукові групи — у Брукгейвенській національній лабораторії (США) та у Стенфордському лінійному прискорювачі — відкрили нову частинку, названу чармонієм. Подібно до топонію, чармоній був цілковитою несподіванкою. Найпоширеніша теорія включала лише три типи кварків, які на той час уже було відкрито. Але існування чармонію можна було пояснити лише існуванням додаткового кварка. Вчені поетично назвали його «чарівним» (англ. charm — звідси й чармоній), адже ця нова фундаментальна частинка буквально зачарувала їх. Вона принесла своїм відкривачам Нобелівську премію й відкрила шлях до побудови сучасної теорії квантового світу — так званої Стандартної Моделі — та багатьох інших відкриттів, зокрема топ-кварка. Листопадова революція стала символом того, як нові експериментальні відкриття можуть докорінно змінити уявлення про природу Всесвіту.

1974 року вченим знадобилося лише декілька тижнів, аби підтвердити відкриття чармонію, який приблизно в сто разів легший за топоній. У випадку з топонієм усе складніше: ймовірність створення топоніїв набагато нижча, а експериментальні умови — значно вимогливіші. Тому підтвердження цього відкриття потребуватиме більше часу, зусиль і точності. Якщо подальші експерименти підтвердять, що ця частинка справді є топонієм, це може означати новий прорив у розумінні квантової фізики.

Чи стоїмо ми на порозі нової наукової революції?

Попереду — роки досліджень, теоретичних розрахунків, аналізу даних і нових експериментів. Фізики очікують, що наступні десятиліття можуть стати періодом нових проривів у квантовій фізиці. Саме для цього готуються масштабні оновлення Великого адронного колайдера та детекторів, установлених на ньому. А вже наприкінці червня цього року фізики з усього світу зустрінуться в Італії на Венеційському симпозіумі, де обговорюватимуть плани Європи стосовно дослідження фізики частинок на наступні десятиліття.

Сучасна фізика частинок — це не лише пошук нових частинок. Це пошук відповідей на найглибші питання про те, з чого складається наш Всесвіт, як він працює — й чому він взагалі існує. І, можливо, топ-кварк щойно відчинив перед нами нові двері.