Законы физики неполны: что будут делать учёные, если Большой адронный коллайдер не принесёт новых открытий?

Большой адронный коллайдер, венец инженерной мысли, принёс нам бозон Хиггса и… тишину. Стандартная модель, описывающая мир частиц, оказалась пугающе точной и одновременно неполной. Пока гигантские ускорители молчат, физики по всему миру, ведомые ветеранами науки, пытаются взломать реальность с чёрного хода, изучая процессы настолько редкие, что они кажутся почти невозможными.

Великолепная тюрьма Стандартной модели

Представьте себе идеально построенное, элегантное и крепкое здание. В нём всё на своих местах, каждый винтик подогнан, все законы работают безупречно. Это — Стандартная модель физики элементарных частиц. За последние полвека она с невероятной точностью предсказала результаты тысяч экспериментов. Её триумфом стало открытие бозона Хиггса в 2012 году на Большом адронном коллайдере (БАК) — последний недостающий кирпичик был найден, и здание казалось завершённым.

Но у этого великолепного здания есть одна проблема: оно стоит посреди огромного, непознанного мира, существование которого полностью игнорирует. Стандартная модель ничего не говорит о тёмной материи, гравитационной силе, которая скрепляет галактики. Она не объясняет, почему после Большого взрыва материя не аннигилировала с антиматерией, оставив после себя лишь пустоту. Мы существуем, а значит, теория, описывающая наш мир, неполна.

Физики были уверены, что БАК, сталкивая протоны на колоссальных энергиях, станет ключом к новой физике. Они ожидали увидеть целый «зоопарк» экзотических частиц, которые бы указали путь за пределы Стандартной модели. Но годы шли, а коллайдер упорно молчал. Кроме бозона Хиггса — ничего. Это молчание породило в научном сообществе тихую тревогу: а что, если мы ищем не там или не так?

Когда прямой путь закрыт: Зептовселенная

Возможно, новые частицы просто слишком массивны, и энергии БАК не хватает, чтобы их создать. В мире квантовой физики высокая энергия эквивалентна способности «видеть» на очень малых расстояниях. БАК — это наш самый мощный микроскоп, позволяющий заглянуть на дистанции порядка 50 зептометров (50 x 10⁻²¹ метра). Но что, если новая физика прячется ещё глубже, в мире, который теоретик Анджей Бурас назвал «зептовселенной» — на масштабах в одну секстиллионную долю метра?

Строить ещё более мощный коллайдер — проект на десятилетия, требующий колоссальных ресурсов и политической воли. 78-летний Бурас ждать не намерен. Он стал одним из главных идеологов альтернативного подхода: если нельзя открыть парадную дверь, нужно поискать чёрный ход.

Идея этого «чёрного хода» изящна и основана на фундаментальном принципе квантовой теории поля. Представьте, что Вселенная — это безбрежный океан (квантовое поле). Частицы, которые мы наблюдаем, — это всего лишь видимая рябь на его поверхности. Но даже если мы не видим источник волн, его присутствие можно почувствовать. Тяжёлый корабль, прошедший далеко за горизонтом, может послать к берегу едва заметную зыбь.

Точно так же гипотетические, сверхтяжёлые частицы из зептовселенной, недоступные для прямого наблюдения на БАК, могут создавать «квантовую зыбь». Их поля пронизывают пространство и едва заметно влияют на поведение известных нам, более лёгких частиц. Наша задача — не увидеть сам «корабль», а зафиксировать эту зыбь.

Карта сокровищ: «Великолепная семёрка»

Но как отличить эту тончайшую зыбь от обычного шума? Ключ — в поиске чрезвычайно редких событий. Большинство частиц распадаются множеством предсказуемых способов. Но есть распады, которые Стандартная модель разрешает, но делает их крайне маловероятными — одно событие на миллиарды или даже триллионы.

Почему они так важны? Потому что в этих редких процессах влияние известной нам физики минимально. Это «тихие заводи», где любое отклонение от предсказаний, любая аномальная рябь, будет гораздо заметнее. Именно здесь может проявить себя влияние «призраков» из зептовселенной.

Анджей Бурас и его коллега Елена Вентурини составили своего рода «карту сокровищ» — список из семи наиболее перспективных редких распадов. Эту группу они назвали «великолепной семёркой». В основном это распады экзотических частиц — B-мезонов и каонов, — которые обладают свойством «теоретической чистоты». Расчёты для них менее зашумлены эффектами сильного взаимодействия, что делает любые аномалии особенно ценными.

Первые стуки в дверь: Что видят эксперименты?

Поиск по этой карте уже идёт полным ходом, и первые результаты обнадёживают.

1. LHCb и Belle II: Намёки в распадах B-мезонов. Эксперимент LHCb в ЦЕРН и Belle II в Японии пристально следят за распадами B-мезонов. Данные пока в основном согласуются с теорией, но точность измерений постоянно растёт. Недавно Belle II зафиксировал распад, скорость которого была несколько выше предсказанной. Это пока не открытие, а лишь интригующий намёк — статистическая погрешность ещё слишком велика. Но это именно то, на что надеются учёные.
2. NA62: Самый редкий распад в истории. Наиболее волнующие новости пришли из ЦЕРН, от эксперимента NA62. Его цель — зафиксировать распад каона на пион и два нейтрино. Вероятность этого события — примерно 1 к 10 миллиардам. Это самый редкий распад, когда-либо наблюдавшийся человеком. И вот сюрприз: измеренная скорость оказалась почти на 50% выше, чем предсказывает Стандартная модель!

Это пока не сенсация. Статистика ещё слишком мала, чтобы исключить случайное совпадение. Но это уже не просто зыбь — это отчётливый стук в дверь, за которой скрывается зептовселенная.

Гонка со временем и будущим физики

Парадокс в том, что эксперимент NA62, подошедший к порогу великого открытия, скоро должен будет уступить место другому проекту. Его преемник, который мог бы продолжить исследования с большей точностью, не получил одобрения ЦЕРН. Это вызывает разочарование у таких учёных, как Бурас, которые понимают, что окно возможностей не вечно.

Сегодня физика элементарных частиц стоит на распутье. Косвенные поиски — это не просто элегантная научная игра. Результаты этих экспериментов имеют огромное стратегическое значение. Яркие, убедительные доказательства того, что за пределами Стандартной модели действительно что-то есть, станут главным аргументом в пользу строительства следующего, ещё более мощного коллайдера. Без таких «указателей» убедить общество и правительства в необходимости многомиллиардных вложений будет невероятно сложно.

Таким образом, небольшие эксперименты, изучающие почти невозможные события, сегодня держат в своих руках ключ не только к загадкам тёмной материи, но и к будущему всей фундаментальной науки. Они ведут нас в неизведанный мир зептовселенной, и каждый новый, пусть и статистически неубедительный, результат заставляет сердца физиков биться чаще. Дверь пока не открыта, но мы уже слышим, что за ней кто-то есть.