Что отсутствие новых частиц означает для физики?

Физики Большого адронного коллайдера в Европе испытали свойства природы на самых высоких энергиях в истории и не нашли ничего особенного: совсем ничего нового. Такого, пожалуй, 30 лет назад, когда проект только задумывался, не мог предвидеть никто. Печально известный «двухфотонный пик», который появился в данных в декабре, исчез бесследно: оказался скорее статистической флуктуацией, нежели новой фундаментальной частицей. По сути, столкновения на ускорителем на текущий момент не выявили ничего, кроме каталогизированной, но неполной Стандартной модели физики элементарных частиц. Среди осколков столкновений физики не нашли никаких частиц, которые могли бы объяснить темную материю, оказаться братьями и сестрами бозона Хиггса, никаких дополнительных измерений, никаких лептокварков… и никаких суперсимметричных частиц, которые дополнили бы наши уравнения и удовлетворили бы принципу «естественности», который может лежать в основе всех законов природы.

«Поразительно, что мы думали обо всем этом целых тридцать лет и не сделали ни единого правильного предсказания о том, что увидим», говорит Нима Аркани-Хамед, профессор физики в Институте перспективных исследований в Принстоне.

Последние новости появились на Международной конференции по физике высоких энергий в Чикаго в презентациях экспериментов ATLAS и CMS, гигантские детекторы которых находятся на 6 и 12 часах на циферблате 30-километрового кольца БАК. Обе команды, в каждой из которых по 3000 человек, лихорадочно работали в течение последних трех месяцев, анализируя огромный поток данных с машины, которая, наконец, заработала в полную силу после модернизации (и удвоила ее). В настоящее время БАК сталкивает протоны на 13 триллионах электрон-вольт (ТэВ) энергии, предоставляя достаточно сырья для порождения гигантских элементарных частиц. Если таковые существуют, конечно.

Но пока ни одной не нашли. Особенно душераздирающей для многих стала потеря двухфотонного пика, избытка пар фотонов, которые появились в прошлом году в партии 13-ТэВ данных и привели к появлению более 500 работ теоретиков на эту тему. Слухи об исчезновении бума в данных начали просачиваться в июне, вызвав у всего сообщества «двухфотонное похмелье».

«Эта находка могла бы в одиночку указать на очень захватывающее будущее для экспериментов с частицами», говорит Раман Сандрум, физик-теоретик из Университета штата Мэриленд. «Ее отсутствие возвращает нас к тому, с чего мы начинали».

Отсутствие новой физики углубляет кризис, который начался в 2012 году вместе с первым запуском БАК, когда стало очевидно, что 8-ТэВ-столкновения не откроют никакой новой физики за пределами Стандартной модели. (Бозон Хиггса, открытый в том же году, стал последним элементов головоломки под названием Стандартная модель, а не ее расширением). Частица на белом коне могла бы показаться в конце того или следующего года, ну или хотя бы вылиться в легкие сюрпризы в поведении известных частиц, которые указали бы на новую физику. Но все приходит к тому, что теоретики готовят к себя к «кошмарному сценарию», в котором БАК вообще не открывает никакого пути в направлении более полной теории природы.

Некоторые теоретики утверждают, что всей этой сфере пришло время начать войну с нулевыми результатами. Отсутствие новых частиц практически точно подразумевает, что законы физики не так естественны, как привыкли считать сами физики. «Естественность настолько хорошо обоснована, — говорит Сандрум, — что одно ее отсутствие является крупным открытием».

Недостающие части

Главная причина уверенности физиков в том, что Стандартная модель — часть чего-то большего в этой истории — это бозон Хиггса. А точнее, его огромная и кажущаяся неестественной масса. В уравнениях Стандартной модели Хиггс связан со многими другими частицами. Эта связь дает частицам массу, позволяя им, в свою очередь, менять значение массы Хиггса, как в перетягивании каната. Некоторые участники этого перетягивания чрезвычайно сильные — гипотетические частицы, которые отвечают за гравитацию, могут вносить (или уносить) до 10 миллионов миллиардов ТэВ в массу Хиггса — но каким-то образом его масса заканчивается на 0,125 ТэВ, словно участники перетягивания каната заканчивают процесс чистой ничьей. Кажется абсурдным, если только не найти разумное объяснение этому равенству.

Предложенная в начале 1980-х годов теория суперсимметрия могла бы с этим справиться. Она утверждает, что на каждый «фермион», существующий в природе — частицу материи, вроде электрона или кварка, который добавляет массе Хиггса — есть суперсимметричный «бозон», частица-переносчик силы, которая вычетает из массы Хиггса. Таким образом, каждый участник перетягивания каната обладает равной силой и Хиггс естественным образом стабилизирован. Теоретики предложили альтернативные предложения по достижению естественности, но у суперсимметрии есть дополнительные аргументы в свою пользу: она приводит к тому, что силы трех квантовых взаимодействий идеально сливаются при высоких энергиях, предполагая, что они были объединены во время рождения вселенной. И она предлагает инертную, стабильную частицу с массой, которая идеально подошла бы для темной материи.

«Мы практически ее нашли, — говорит Мария Спиропулу, физик частиц из Калифорнийского технологического института и член CMS. — Спросите людей моего поколения, нас практически учили, что суперсимметрия есть, хотя мы ее пока не обнаружили. Мы верили в нее».

Отсюда и возникло удивление, когда суперсимметричные партнеры известных частиц не показались — сначала на Большом электрон-позитронном коллайдере в 1990-х, потом на Тэватроне в 1990-х и начале 2000-х, а теперь и на БАК. По мере того, как коллайдеры выходили на все более высокие энергии, расширялась пропасть между известными частицами и их гипотетическими суперпартнерами, которая должны быть намного тяжелее, чтобы избегать случайного обнаружения. Наконец, суперсимметрия стала настолько «сломанной», что влияние частиц и их суперпартнеров на массу Хиггса больше не компенсировалось, и суперсимметрия не стала решением проблемы естественности. Некоторые эксперты думают, что мы уже прошли нужную точку. Другие предлагают расширить свободу определения ряда факторов, причем это происходит уже сейчас, вместе с тем, как ATLAS и CMS исключают стоп-кварк — гипотетический суперпартнер топ-кварка с 0,173 ТэВ — до массы в 1 ТэВ. Это почти шестикратное несоответствие между топ- и стоп-кварками в перетягивании каната. Даже если стоп тяжелее 1 ТэВ существует, он будет слишком сильно тянуть Хиггса, чтобы решить проблему, для которой он появился в теории.

«Я думаю, 1 ТэВ это психологический предел», говорит Альберт де Роек, старший научный сотрудник ЦЕРН, из лаборатории, которой принадлежит БАК, и профессор Университета Антверпена в Бельгии.

И хотя некоторые могут сказать, что уже хватит, другие продолжают цепляться за ниточки. Среди многочисленных суперсимметричных расширений Стандартной модели есть и более сложные версии, в которых стоп-кварки тяжелее 1 ТэВ сговорились с дополнительными суперсимметричными частицами, чтобы уравновесить топ-кварк и настроить массу Хиггса. У этой теории так много вариантов, или отдельных «моделей», что убить ее наверняка практически невозможно. Джо Инкандела, физик Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, который объявил об открытии бозона Хиггса от лица коллаборации CMS в 2012 году и ныне руководит исследованиями на тему стоп-кварка, говорит, что «если вы что-то видите, можно сделать независимое от модели заявление, что вы что-то видите. Если вы ничего не видите, будет сложнее».

Частицы могут скрываться в укромных уголках и трещинах. Если, например, стоп-кварк и легчайшее нейтралино (суперсимметричный кандидат для темной материи) будут иметь примерно одну массу, они могут оставаться в тени. Дело в том, что когда стоп-кварк рождается в процессе столкновения и распада, порождающем нейтралино, очень мало энергии будет высвобождено, чтобы принять форму движения. «Когда распадается стоп, где-то сидит и частица темной материи, — объясняет Кайл Кранмер из Нью-Йоркского университета, член ATLAS. — Вы ее не видите. Поэтому в таких регионах и искать нечего». В таком случае стоп-кварк с массой ниже 0,6 ТэВ может скрываться в данных.

Экспериментаторы попытаются залатать эти лазейки в ближайшие годы, ну или раскопать скрытые частицы. В то же время теоретики готовы смириться с тем, что природа не показывает, в каком направлении можно было бы двигаться. Ситуация очень запутанная.

Новая надежда

Многие теоретики частиц теперь признают давно наметившуюся возможность: что масса бозона Хиггса просто неестественна — ее малая величина обусловлена случайной, прекрасно налаженной компенсацией в космическом перетягивании каната — и что мы наблюдаем такое особенное свойство, поскольку от него зависит наша жизнь. В таком случае, существует множество вселенных, в каждой из которых комбинация эффектов совершенно случайна. Из всех этих вселенных атомы формируются лишь в тех, где случайно появляется легкий бозон Хиггса, а значит, и рождаются живые существа. Но такой «антропный» аргумент ненавидят за то, что его невозможно проверить.

За последние два года некоторые физики-теоретики начали предлагать совершенно новые естественные объяснения массе Хиггса, стараясь избегать фатализма антропного принципа и не полагаться на новые частицы, которые могут показаться на БАК. К примеру, на прошлой неделе в ЦЕРН собрали семинар, на котором обсудили гипотезу релаксиона — из которого следует, что масса Хиггса выстраивается динамически при рождении космоса, а не формой симметрии — и возможные способы проверки этих идей. Теперь, когда двухфотонный пик оставил ученых ни с чем, им придется возвращаться и придумывать новые возможности для новой физики.

Аркани-Хамед говорит, что «есть много теоретиков, включая меня, которые думают, что мы живем в совершенно уникальное время, когда все вопросы — гигантские, структурные, без подробностей о следующей частице. Мы должны быть счастливы жить в такое время — даже если при нашей жизни не будет серьезного, проверенного прогресса».

Пока теоретики возвращаются к доскам, 6000 экспериментаторов CMS и ATLAS упиваются данными из ранее неизведанной области. «Кошмар? Что вы имеете в виду?», говорит Спиропулу, имея в виду негодование теоретиков на тему кошмарного сценария. «Мы исследуем природу. Наверное, у нас нет времени думать о разного рода кошмара, поскольку мы тонем в данных и очень этому рады».

Есть надежда, что новая физики еще проявит себя. Но и не обнаружить ничего, с позиции Спиропулу, это что-то да обнаружить — особенно если вместе с этим погибнут громкие идеи.