Крупнейшие события в физике в 2015 году

В 2015 году физика находится на мосту между старым миром и новым. Старая добрая Стандартная модель — набор уравнений, который объясняет многое, но, к счастью для нас, не все — физической работы Вселенной была подтверждена снова и снова, до невообразимого уровня точности.

И все же по ней регулярно прокатываются грохочущие камни, поскольку физики истекают слюной, отчаянно желая заполучить объяснения всему, что лежит за пределами Стандартной модели. Как объяснить темную материю, удерживающую галактики вместе? Темную энергию, загадочным образом ускоряющую расширение Вселенной? Или странную потерю всей антиматерии, которая последовала за Большим взрывом?

В этом году появились новые модернизированные инструменты. Ученые стали свидетелями, как нейтрино меняют свой тип прямо на лету. Они скрестили пальцы в надежде, что предсказания Эйнштейна подтвердятся в очередной раз. Они поощрили поиск внеземной жизни силами SETI. И они были рады услышать о новых экспериментах, которые проводятся и готовятся к проведению.

Большой адронный коллайдер обновился

Глубоко под Землей, на французско-швейцарской границе, Большой адронный коллайдер с ревом вернулся к работе в начале апреля после двухлетней модернизации. Мощная машина затмила собственные рекорды, снова и снова сталкивая частицы вместе.

Во время первого запуска между 2009 и 2013 годами, БАК достиг мощности в 8 тераэлектронвольт (ТэВ), столкнув бесчисленное число протонов и собрав достаточно данных (достигнув степени погрешности в «пять сигма», что означает высокие шансы существования сигнала), чтобы объявить об открытии долгожданного бозона Хиггса. Эта частица, которая передает массу другим, была последней из частиц, обнаруженных среди предсказанных Стандартной моделью.

Физики возлагают большие надежды на второй запуск БАК. Они отчаянно хотят открыть новые частицы, которые приведут нас к еще не открытым землям: суперсимметрии и темной материи, например. А чтобы получить более интересные — более сложные и с более высокой энергией — столкновения, физики CERN недавно начали сталкивать ионы свинца. Это как переключиться с теннисных мячей на пушечные ядра: у ядра свинца в 82 раза выше энергия, чем у протона. В последнем воплощении БАК ежесекундно происходит около миллиарда столкновений этих пушечных ядер.

Крошечные ускорители уже в пути

2015 год отметился не только большими ускорителями. Маленькие тоже прекрасны, и если говорить о физических машинах, их гораздо дешевле строить.

В сентябре CERN дала зеленый свет дополнительному финансированию эксперимента под названием Advanced Wakefield Experiment, или AWAKE. В 2016 году AWAKE начнет ускорять частицы, посылая их в серфинг на волнах электрического заряда. Эта техника позволит ученым производить столкновения при все более и более высоких энергиях без необходимости больших машин и обойти высокий бюджет, который требуют такие машины.

SETI получила подарок на 100 миллионов долларов

Этим летом русский миллиардер Юрий Мильнер, известный своими инвестициями в технологии, объявил, что будет финансировать гигантскую инициативу поиска радиосигналов от внеземных цивилизаций. Инициатива под названием Breakthrough Listen позволит ученым SETI покупать тысячи часов наблюдения в год на самых мощных радиотелескопах в мире. И этот поиск будет сканировать в 10 раз больше неба, чем раньше, и прослушивать его в более широком диапазоне.

Вселенная (пока) оказалась не голограммой

Луч солнца может показаться вам одним плавным и непрерывным потоком света. Тем не менее больше века ученые знали, что свет, масса и все формы энергии передаются дискретными пакетами. Свет приходит к нам в виде фотонов, например. Нечто имеющее массу является по большей части суммой субатомных частиц, протонов и нейтронов. Время и пространство тоже, на первый взгляд, плавные и непрерывные. Но если нет?

Одна из потрясающих идей на эту тему вышла из теории струн: пространство и время могут существовать в виде пакетов — по сути, сама Вселенная может быть пиксельной. Эксперимент, который провели на Национальной ускорительной лаборатории Ферми в Иллинойсе, проверил одну из теорий такой «вселенной-голограммы». Holometer включал пару лазерных интерферометров, которые должны были уловить легкое дрожание самого пространства-времени. Но собрав данных за год, Holometer не выявил никаких признаков того, что мы живем в пиксельной реальности из двумерных битов. Однако эксперимент Holometer только начался, говорят ученые. Они также занимались поиском высокочастотных гравитационных волн и планируют проверить другие модели пространства-времени с помощью своих лазеров.

Слухи о трещинах в Стандартной модели (наконец-то)

Когда Большой адронный коллайдер отправился спать на прошлой неделе (даже ускорителям нужны праздничные каникулы), физики, работающие на самом мощном в мире ускорителе частиц, представили первые результаты работы модернизированного БАК в ходе второго запуска.

БАК выявил всплеск, который может быть (только может быть) новой частицей. Она даже может быть новым типом Хиггса, более тяжелым его близнецом, как предполагает теория суперсимметрии. Работая независимо друг от друга, эксперименты ATLAS и CMS оба выявили избыток энергии в 750 миллиардов электрон-вольт. Если БАК нашел новую частицу, это может быть первым намеком на то, как она выглядит. Но представители каждого эксперимента предупреждают, что эти события пока согласуются с известной физикой и могут, учитывая объемы собранных данных, быть просто ошибкой. К счастью, когда БАК вернется к работе в 2016 году, все станет известно наверняка.

Темную материю… по-прежнему очень тяжело найти

Ну, о темной материи простому обывателю уже известно, наверное, все. Что-то в космосе неладно. Большая часть Вселенной, кажется, отсутствует. Когда астрономы вглядываются в небеса, они видят, что галактики движутся так, будет на самом деле гораздо тяжелее, чем кажутся. Они видят, что свет изгибается вокруг невидимой массы. Физики так и не пришли к единому мнению, чем может быть эта темная материя.

2015 год по сути подтвердил, что да, темную материю очень и очень сложно найти. Несмотря на перечень объявлений и интригующих находок, этот год закончился на мрачноватой ноте (для темной, или даже мрачной, материи). На прошлой неделе самый чувствительный в мире детектор слабовзаимодействующих массивных частиц (вимпов) опубликовал свои результаты: ничего. Вимпы (WIMP) — один из лучших кандидатов на роль темной материи, но эксперимент темной материи LUX, Large Underground Xenon, не нашел никаких следов оной в низкомассовом диапазоне, в котором другие эксперименты ранее подмечали возможные проявления темной материи.

Обновление, которое поможет в поиске гравитационных волн

Недавно улучшенная обсерватория Advanced Laser Interferometrt Gravitational-Wave Observatory начала генерировать данные в этом году после обновления на 200 миллионов долларов. Физики на Advanced LIGO ищут гравитационные волны. Эти реверберации могут течь через и вокруг нас, как последствия жестокой космической драмы — взрывающихся сверхновых, к примеру, или сталкивающихся черных дыр — предсказанные в рамках общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Два американских детектора LIGO, работающие в унисон в Хэнфорде и Ливингстоне, работают также в партнерстве с подобными обсерваториями по всему миру в надежде, что какой-либо обнаруженный ими сигнал будет надежным.

Новые ускорители на горизонте

Конечно, БАК — впечатляющая машина. На текущий момент это звезда шоу ускорителей частиц. Но работать он будет не вечно. Началась работа над еще более мощными и большими машинами.

32-километровый и прямой Международный линейный коллайдер имеет хорошие шансы быть построенным в ближайшие пару лет. (Хозяином будет Япония и деньги тоже ее). В отличие от БАК, который ускоряет частицы, протоны и ионы, закручивая их петлями, МЛК будет сталкивать очень легкие частицы: электроны и их антиматериальных партнеров, позитроны. Ускоритель должны быть прямым, потому что, в отличие от частиц БАК, электроны и позитроны теряют энергию всякий раз, когда проходят через петлю. БАК не смог бы сталкивать электроны на высоких энергиях, если бы захотел. МЛК, впрочем, будет запускать электроны с одного конца трубы, позитроны с другого, и те будут встречаться в центре.

В апреле 2015 года на встрече в Токио ученые и инженеры МЛК совместно обсудили технический проект и запросили государственное финансирование, чтобы переходить к финальным шагам и строительству. Японское правительство уже одобрило эти планы.

Иранскую физику толкнули вперед

Иранская наука, пожалуй, больше всего выиграла, когда Иран заключил сделку с группой мировых держав (США, Великобританией, Китаем, Германией и Евросоюзом). В дополнение к отказу от участия гонки и последующему послаблению санкций, эта сделка может стать новой эрой для иранской физики. Уже планируют построить международную физическую лабораторию на месте старого завода по обогащению урана Фордо в 130 километрах к юго-западу от Тегерана.

Мировые державы также озабочены честностью Ирана по отношению к хранению плутония и урана боевого класса. Предлагают использовать детектор антинейтрино для обнаружения побочных продуктов ядерного распада и определения уровня содержания плутония в реакторе.

Открытия нейтринных обсерваторий

Нейтрино стали большими призерами в этом году. Их много, но они крайне неохотно взаимодействуют, из-за чего их трудно обнаружить. И они принесли Такааки Каджите и Артуру Макдональду Нобелевскую премию за их работу в области осцилляции нейтрино.

Этот же танец нейтрино, изменяющий их аромат — важный, потому что указывает на наличие массы у нейтрино — также попался на глаза комитету премии Breakthrough Prize 2015 года. В отличие от нобелевки, Breakthrough Prize в 3 миллиона долларов разделили между 1370 физиками. (Нобелевская премия составила порядка 1,2 миллиона долларов).

Исследования нейтрино только начинаются. По всему миру экзотические, хитроумные детекторы терпеливо ожидают нейтринные проявления. OPERA в Италии, Супер-Камиоканде в Японии, IceCube в Антарктиде и NOVA в Иллинойсе — все они что-то нашли в этом году. И хотят больше.