[Перевод] Физика частиц: зачем этим нужно заниматься, и почему именно таким способом
Кому какое дело до частиц? Почему физики, специализирующиеся на них, так ими интересуются?
На самом деле нам интересны не частицы сами по себе.
Вот вам аналогия: представьте, что вас заинтересовали города римской империи и то, как они функционировали. Из-за этого вы можете начать изучать римскую архитектуру. Возможно, вас заинтересует, как они строили свои здания и акведуки. Затем, вероятно, вы перейдёте к надёжности их арок и фундаментов, а с них — на свойства кирпичей и строительного раствора. Но интересуют вас не кирпичи и раствор — это только средства для достижения цели. Вы хотите рассматривать их как часть более общих вопросов разработки и постройки римских зданий, их красоты и их надёжности, позволившей им пережить столетия.
Природа — самый плодотворный и древний архитектор. Мы живём в окружении красоты и загадок — дубов и вулканов, закатов и бурь, красивой луны и неисчислимых песчинок на пляже. Пару столетий назад учёные сделали вывод, что разнообразие этой архитектуры можно лучше понять, если принять, что материя состоит из различных атомов — «элементов». Так они и начали интересоваться атомами, «элементарными» строительными кирпичиками природы, как о них тогда думали.
Но, как оказалось, это было только начало, поскольку оказалось, что существуют десятки разных видов атомов, серьёзно различающихся по химическим преобразованиям и способности испускать свет. В попытках разобраться в разнообразии и поведении атомов учёные поняли, что и они были формами архитектуры, построенными из ещё меньших частиц: электронов, окружающих атомное ядро, удерживаемыми в целости цементирующими их электрическими силами. А в самих ядрах также присутствует архитектура, с протонами и нейтронами, удерживаемыми в целости цементирующим их сильным взаимодействием. По пути была открыта ещё одна сила, слабое взаимодействие, часто скорее разрушающая, чем созидающая сила.
Открытие новых уровней архитектуры не только позволило дать объяснения элементарным химическим процессам, а также испусканию и поглощению света, но и дало доступ к разгадке иных тайн — принципов работы звёзд, радиоактивности, а также доступ к огромной опасности, прячущейся в энергии ядра. Подход «кирпичей и цемента» стал ключом к раскрытию многих секретов в течение XX столетия.
Это, конечно, квазиисторический скетч, а не точное изложение истории. Реальная история богача, сложнее и лежит за пределами моих возможностей.
К 1950-м было известно, что у протонов и нейтронов атомных ядер есть множество кузенов: другие адроны с такими названиями, как пионы, каоны, дельта-барионы, ро-мезоны, и другие. Эта сложность была признаком наличия очередной архитектуры. В начале 1970-х появилось новое представление об этих частицах, как об объектах, состоящих из кварков, антикварков и глюонов, скреплённых сильным взаимодействием.
Специалисты по физике частиц — это учёные, которым интересна архитектура природы на уровне кирпичей и цемента, надёжности и разрушаемости. Каковы же фундаментальные строительные кирпичики, что держит их вместе или разделяет их? Как они организуются и формируют основу огромного разнообразия структур, наблюдаемых нами во Вселенной?
С начала 1960-х постепенно приходило понимание того, что свойства населяемого нами мира требуют присутствия некоей субстанции, заполняющей Вселенную — ненулевого поля, как мы по определению называем поле Хиггса — влияющего на свойства многих частиц в природе. Без поля Хиггса окружающая нас архитектура разрушилась бы. Понимание того, что это за поле и как оно работает — один из центральных проектов сегодняшних специалистов по физике частиц, и главное оправдание строительства Большого адронного коллайдера (БАК). Какие секреты будут раскрыты в процессе изучения? Никто пока не знает.
Почему же физикам обязательно нужно было строить гигантские «атомные молотилки» [atom smashers]?
Ох, как я ненавижу этот термин! Мы не сталкиваем атомы, мы сталкиваем субатомные частицы: протоны, которые в 100 000 раз меньше атомов (по радиусу), или электроны, которые ещё в 1000 раз меньше протонов! Это как спутать столкновение планет со столкновением двух нефтяных танкеров или двух пуль.
Ладно, ладушки, успокойся уже. Так почему физикам обязательно сталкивать протоны или другие субатомные частицы? Нельзя ли заняться чем-то менее деструктивным?
Часто приводят аналогию, что использование в физике коллайдеров (точнее, сталкивателей субатомных частиц) похоже на разбивание друг об друга точных хронометров в попытках изучить их работу по вылетающим из них деталькам. У этой аналогии есть смысл, но кое-что важное она не учитывает.
Столкновение субатомных частиц сверхвысоких энергий — это не просто акт разрушения. Это, по большей части, акт творения.
Это удивительное свойство природы — если в достаточно небольшое пространство впихнуть достаточно много энергии, из неё иногда могут получиться частицы, которых там раньше не было. Именно для этого мы и устраиваем столкновения высокоэнергетических частиц. Технология со сжатием энергии — единственная из известных, позволяющая получать новые или чрезвычайно редкие частицы, которые люди раньше не наблюдали. У нас, к примеру, нет другого способа получить частицы Хиггса.
Так что нам интересно не столкновение хронометров. Мы уже многое знаем о них — мы уже прилично понимаем протоны, сталкивающиеся в БАК. Мы надеемся открыть то, чего в часах не было — мы уже достаточно детально изучили кварки и глюоны, кирпичи и цемент протонов. Мы должны подправить аналогию. Мы, скорее, сталкиваем вместе часы в надежде, что в результате энергии столкновения появится сотовый телефон.
Звучит довольно безумно. Но природа удивительна и необычна, и на БАК ежедневно создаются редкие тяжёлые частицы. Именно для того, чтобы создать частицы Хиггса, и, возможно, другие неожиданные явления, мы приносим протоны в жертву на алтарях БАК.
