19 Июня 2019

Перспективы Физики Элементарных Частиц

Опубликовал Н.А. Рыков

С момента открытия электрона в 1896 году, ядра в 1911 году и нейтрона в 1931 году - частиц, составляющих атом, - до открытия бозона Хиггса в 2012 году, который позволяет атомам существовать, построение понимания Вселенной стало веком в процессе становления.  Наше общество произвело революцию в понимании человеком Вселенной и ее основного кода, структуры и эволюции.  Благодаря тщательному измерению, наблюдению и выводу мы разработали удивительно успешные преобладающие теории - Стандартные модели физики элементарных частиц и космологии, - которые являются очень предсказуемыми и которые были тщательно проверены, в некоторых случаях до 1 части на 10 миллиардов.  Это одни из самых высокоинтеллектуальных достижений в истории нашего вида;  они станут частью нашего наследия для будущих поколений на века.

В настоящее время существует потенциал, еще одной революции наших знаний.  Чувство тайны никогда не было более острым в этой области.  В основе Стандартной Модели лежит поле Хиггса и частица, которая является загадкой.  Темная материя удерживает нашу Вселенную вместе, но в тоже время она бросает вызов нашему пониманию. На каждый грамм обычной материи во Вселенной 4 других являются темными.  Мы не знаем темного кванта, но свидетельства ошеломляющие: кривые галактического вращения, горячий газ в кластерах, кластер пуля, нуклеосинтез большого взрыва, сильное гравитационное линзирование, слабое гравитационное линзирование, SN1a и космический микроволновый фон.  Темная энергия разъединяет нашу Вселенную и составляет 70% от массы энергии вселенной.  Существуют три различных линии доказательств темной энергии: график Хаббла SN1a, барионные акустические колебания в распределении галактик и космический микроволновый фон.  Темная энергия - это загадка.  То, что мы знаем и из чего мы сделаны, описанное Стандартной моделью физики элементарных частиц, является лишь верхушкой айсберга.

Мало того, что есть много новых вопросов, но сейчас мы смотрим на них совершенно иначе, задавая их на сегодняшний день, по сравнению с прошлым. С 1967 по 2012 год Стандартной моделью руководствовались исследования.  Это был хороший гид!  Нам помогли теоремы «без потерь» для W и вершины, и для регуляризации поперечного сечения WW либо должна существовать новая частица (Хиггс), либо существовала новая физика.  Теперь стандартная модель завершена, мы не знаем никаких дальнейших теорем с принципом "без потерь".  В принципе, стандартная модель может быть действительной в масштабе Планка.

Следовательно, наша работа состоит в том, чтобы, как никогда, «измерить то, что измеримо, и сделать измеримым, то, что таковым не является» (Галилей).  Обсуждение будущего физики элементарных частиц должно начинаться с понимания того, что в лаборатории или в космосе нет эксперимента или объекта, предложенного или мыслимого, ускорителя или неускорителя, который может гарантировать открытия за пределами Стандартной модели и давать ответы на глобальные вопросы нашей области.  Мы не должны удивляться, что оказались здесь, потому что Стандартная Модель - эффективная теория.  Хиггс - первая элементарная частица со спином 0, которую мы видели, это квант поля со специальным потенциалом, масса которого не защищена от квантовых поправок, которые будут увеличивать его, если не будет достигнута значительная степень тонкой настройки.  Если следующая шкала - шкала Планка, то вот как выглядит степень тонкой настройки в единицах массы Планка:

(MH) 2 = 3.273,459,429,634,290,543,867,496,473,159,645 - 3.273,459,429,634,290,543,867,496,473,159,643

Это кажется неестественной ситуацией.

Некоторые предполагают, что Вселенная такая, какая она есть, потому что если бы было иначе, мы не были бы здесь, чтобы наблюдать за ней (проблема естественности).  Масса Хиггса, количество темной энергии и значения других наблюдаемых вещей могут быть эффектами вакуумного отбора - наша Вселенная интерпретируется в терминах мультивселенной.  Но преждевременно так думать.  Как сказал Алан Гут, «это решение последней инстанции».  Как сообщество, мы коллективно выбираем отложить мультивселенную интерпретацию и стремимся понять Вселенную. Хотя суперсимметрия по-прежнему является ведущим объяснением, теоретики также изучают альтернативы, такие как «релаксация».  Это переключает внимание на динамику ранней Вселенной с последствиями, которые могут наблюдаться и в будущих экспериментах тоже.

Играть главную роль в этом путешествии открытий - это стремление учёного поля, и мы всегда должны помнить, что участвовать в нем - редкая привилегия.  Пройти уже такой длинный путь и пойти ещё дальше, возможно только благодаря налогоплательщикам наших стран и мудрости правительства, которые вкладывают свои деньги в науку. 

Есть как минимум 3 причины, по которым миру необходимо полноценное развитие физики элементарных частиц:

  • Наука важна для наших народов. Из чего сделан мир?  Что держит мир вместе?  Как начался мир?  На протяжении тысячелетий все великие общества задавали эти вопросы.
  • Большие вопросы, которые мы задаем, привлекают молодые таланты ко всем наукам. Вопросы, которые мы задаем, настолько велики и просты, что почти каждый, от детей до широкой публики, может каким-то образом понять их и относиться к ним.  В то время как многие факторы влияют на решение сделать карьеру в науке, безусловно, одним из факторов является восприятие больших фундаментальных вопросов, ожидающих ответа. Область физики помогает обеспечить это восприятие важным способом. Вопросы глобального характера помогают привлечь людей к физическим наукам и заполнить образовательный канал талантами.
  • Физика элементарных частиц является неотъемлемой частью структуры физических наук. Она вносит большой вклад в другие физические науки:
  • а) Ускорительная наука.  История инноваций в области ускорителей, основанных на использовании частиц физики, является ресурсом для многих стран.  Некоторые конкретные нововведения включают кабель для импульсных сверхпроводящих магнитов, клистрон и разработку источников света. 
  • (б) Разработка детекторов, например, позитронно-эмиссионная томография.
  • (c) Крупномасштабные вычисления, основанные на широком сотрудничестве, например, World Wide Web. Конечно, здесь две стороны вопроса: другие физические науки также способствуют физике элементарных частиц.

Сейчас и в будущем существует множество научных возможностей для дальнейшего изучения самых маленьких и самых больших структур во Вселенной. Работа большого адронного коллайдера превосходит все ожидания, физика нейтрино значительно продвинулась, и ее прогресс будет продолжаться, интенсивные пучки каонов и мюонов,  и амбициозная программа по исследованию природы темной материи и темной энергии и дальнейшему изучению реликтового излучения обеспечивают разнообразие способов взглянуть на Вселенную во всех масштабах.  Никогда не было более захватывающего времени для физика элементарных частиц, чем сегодня и в будущем!