Эксперименты, которые могут изменить мир

Эра физики элементарных частиц подошла к концу. Когда ученые CERN в июле прошлого года объявили, что нашли бозон Хиггса, который отвечает за предоставление массы всем другим частицам, они обнаружили окончательную недостающую часть в системе, которая учитывает взаимодействие всех известных частиц и сил. Эта теория носит название Стандартной модели. Хорошо ли это? Возможно нет…

Бозон Хиггса, как полагали физики, поможет им найти другие теории, которые должны исправить слабые моменты Стандартной модели. Но вместо этого частица ввела их в еще более запутанную ситуацию.

«Мы попали в головоломку, которую сложно распутать», — заявила физик Мария Спиропулу, работавшая на главном эксперименте БАК в процессе поисков «Хиггса» — CMS.

Это может показаться странным, но физики надеялись, возможно даже ожидали, что бозон Хиггса не окажется в том месте, которое было ожидаемо. Во всяком случае, ученые надеялись, что свойства Хиггса будут в достаточной мере отличаться от спрогнозированных Стандартной моделью, чтобы исследователи начали строить новые модели на основе расхождений. Но масса хиггсовского бозона попала почти в яблочко предсказаний, выведенных в рамках Стандартной модели.

Чтобы еще больше усугубить ситуацию, ученые надеялись найти доказательство других странных частиц. Они могли бы указать направление в сторону теорий за пределами Стандартной модели, например, в пользу популярной нынче суперсимметрии, которая предполагает существование тяжелого двойника всех известных субатомов, вроде электронов, кварков и фотонов.

Вместо этого, правота ученых расстроила их. Как же нам выбраться из этой бездны? Больше данных!

В течение следующих нескольких лет экспериментаторы будут выдавать новые результаты, которые помогут ответить на вопросы о темной материи, свойствах нейтрино, о природе хиггсова бозона и, возможно, откроет новую эру физики. Сейчас мы поговорим об инструментах, о которых не стоит забывать. Они больше всего волнуют ученых, поскольку могут пустить трещины в укладе современной физики. Журнал Wired сделал подборку самых значимых из них.

ATLAS и CMS

Сейчас на Большой адронном коллайдере не сталкиваются протоны. Вместо этого инженеры устанавливают обновления, которые помогут при поисках на еще более высоких энергиях. Коллайдер, вероятнее всего, будет закрыт до 2015 года, однако большое количество данных по-прежнему открыто для исследований. Два основных эксперимента по поиску бозона Хиггса, ATLAS и CMS, хранят множество сюрпризов в чуланах.

«Мы искали низко висящий плод», — говорит физик Дэвид Миллер из Чикагского университета, работающий в ATLAS. — «Все, что мы нашли, это Хиггс, и теперь мы возвращаемся к тяжелым палкам».

Что еще может скрываться в данных? Никто не знает наверняка, но коллаборация проведет следующие два года, прочесывая данные, собранные в 2011 и 2012 годах, когда и нашли Хиггса. Ученые надеются увидеть намеки на другие, более экзотические частицы, которые были предсказаны в рамках теории суперсимметрии. Они также помогут лучше понять бозон Хиггса.

Как видите, у ученых нет звоночка, который здинькает каждый раз, когда их детектор находит бозон Хиггса. На самом деле, ATLAS и CMS вообще не могут увидеть Хиггса. Они ищут частицы, на которые распадается бозон. Самый простой способ обнаружения — это увидеть, как Хиггс распадается на кварк и антикварк или два фотона. В настоящее время ученые пытаются выяснить то, как часто в процентном соотношении бозон распадается на разные комбинации частиц, что поможет в дальнейшем сузить диапазон его свойств.

Кроме того, возможно, что при тщательном анализе физики сложат проценты для каждого из различных вариантов распада и обнаружат, что не дошли до 100. Может быть крошечный остаток, который укажет на то, что Хиггс распадается на частицы, которые не может засечь детектор.

«Мы называем это невидимым распадом», — комментирует Мария Спиропулу. Вполне возможно, что Хиггс частично превращается в нечто действительно странное, вроде частиц темной материи.

Из космологии мы знаем, что у темной материи есть масса, и поскольку Хиггс дает частицам массу, он вероятно должен как-то взаимодействовать с темной материей. Данные БАК могут рассказать ученым, насколько прочно соединение Хиггса и темной материи. Если это будет подтверждено, невидимый распад может открыть дивный новый мир для исследований.

«Сейчас модно называть это «порталом темной материи», — говорит Спиропулу.

NOvA и T2K

Нейтрино — крайне странная вещь в Стандартной модели. Они крошечные, почти безмассовые и практически не взаимодействуют с другими персонажами в субатомном зоопарке. Исторически сложилось так, что они были причиной многих удивительных результатов, а в будущем, вероятно, будет «все чудесатее и чудесатее». В настоящее время физики пытаются выяснить некоторые их свойства, которые находятся под вопросом.

«Самое прекрасное в этих открытых вопросах то, что мы знаем, что на все найдутся ответы, которые будут доступны в следующем раунде экспериментов», — говорит физик Мори Гудман из Аргоннской национальной лаборатории.

Американский эксперимент NOvA, стоит надеяться, представит данные по некоторым характеристикам нейтрино, в частности, массы. Есть три типа нейтрино: электрон, мюон и тау. Мы знаем, что их масса крошечна — в 10 миллиардов раз меньше, чем масса электрона — но мы не знаем, что это такое, и какой из трех типов самый легкий или тяжелый.

NOvA поможет выяснить иерархию массы нейтрино, выпуская луч нейтрино из лаборатории Ферми возле Чикаго на 810 километров в сторону детектора в Эш-Ривер, Миннесота. Похожий эксперимент в Японии под названием T2K будет посылать нейтрино на 295 километров. Проходя через Землю, нейтрино будут колебаться между тремя различными типами. Сравнивая вид нейтрино перед выстрелом и в конце пути, NOvA и T2K смогут вычислить их свойства с высокой точностью.

T2K работает уже несколько лет, а NOvA запустится в 2014 году и проработает шесть лет. Ученые надеются, что они помогут ответить на некоторых из последних вопросов о нейтрино.

Прямое обнаружение темной материи

Что ж это такое, темная материя? Ученые до сих пор не знают. Некоторые говорят, что это огромная масса частиц, влияющих на форму галактик и их скоплений. Другие предполагают, что это иллюзия, вытекающая из нашего непонимания силы притяжения, или результат темного сектора вселенной, который еще предстоит открыть.

Так или иначе, возможно, физики скоро узнают ответ. А сейчас, к сожалению, у них проблемы.

Есть масса экспериментов, которые ищут прямые доказательства существования темной материи. Трудность состоит в том, что все они указывают на разные вещи. Один контингент физиков включает свои детекторы и не видит абсолютно ничего, говоря о том, что нужно строить еще более чувствительные детекторы. Другая группа использует небольшие и чувствительные детекторы, чтобы увидеть намеки на то, что может быть темной материей. Они утверждают, что первая группа просто не замечает эти тонкие следы.

Весьма чувствительный детектор под названием LUX должен был помочь рассеять туман сомнений. Вместо этого он прибавил еще загадок. Похоже на то, что в течение следующих нескольких лет разные эксперименты будут продолжать сбор данных, и мы в конце концов придем к какому-нибудь выводу.

Но силы тьмы могут загнать в угол некоторые попытки поиска в США. Министерство энергетики планирует сократить число американских экспериментов по поиску темной материи. В ближайшие месяцы агентство будет финансировать две-три основные группы. И многие будут недовольны.

Проблема в том, что отсутствие консенсуса в сфере, который касается поиска темной материи, создает особенные трудности. Прежде чем ученые начнут использовать один метод поиска темной материи, им нужно договориться.

Европейские коллаборации, например команда XENON, продолжат строительство новых детекторов и повышение их чувствительности. Будущая европейская коллаборация под названием EURECA планирует объединить несколько групп, которые совместно будут продолжать поиски. А вот Штаты могут серьезно отстать, избавив большинство своих команд от финансирования.

GERDA и MAJORANA

Несмотря на свои многочисленные успехи, Стандартная модель далека от совершенства. Ученые знают это потому, что у нейтрино есть масса, а в Стандартной модели сказано, что нет. Вполне возможно, что именно нейтрино развалят модель.

Особый тип эксперимента, известный как двойной безнейтринный бета-распад, может помочь объяснить некоторые вещи, которые не может Стандартная модель: почему Вселенная состоит из материи? В частности, в рамках Стандартной модели предсказано, что во время Большого Взрыва вещество и антивещество были созданы в равной пропорции. Но поскольку две этих противоположных формы материи уничтожают друг друга, Вселенной быть не должно. Однако за окном все та же Вселенная, полная интересных вещей.

Бета-распад происходит, когда нейтрон (нейтральная частица атомного ядра) спонтанно превращается в протон и электрон, испуская в процессе этого антинейтрино. Этот процесс может также пойти совершенно другим путем, когда нейтрон засосет нейтрино и превратится в протон и электрон. Безнейтринный двойной бета-распад — крайне редкая ситуация, когда антинейтрино, произведенное в первом случае, будет принято нейтроном во втором случае.

Это может произойти только в том случае, если нейтрино и антинейтрино практически одинаковы: то есть у нейтрино есть своя античастица. Никто не знает, правда ли это, но если да, в ранней вселенной распады нейтрино произвели бы немного больше частиц материи, чем антиматерии. Несколько экспериментов стремятся узнать, существуют ли у нейтрино собственные античастицы.

В настоящее время в рабочем состоянии находится эксперимент с массивом германиевых детекторов (GERDA), который представил первые результаты в сентябре. GERDA ничего не увидела, но помогла наложить жесткие ограничения на возможность безнейтринного двойного бета-распада. Американская коллаборация MAJORANA и канадский эксперимент SNO+ также работают над этим вопросом. В течение следующего десятилетия мы должны получить ответ.

Странные нейтрино

Даже сейчас, когда ученые пытаются выяснить свойства нейтрино, появляются новые проблемы.

«Люди полагают, что нейтрино куда более сложные, чем нам кажется сейчас», — говорит физик Мори Гудман.

Из последних примеров хорошо известна аномалия нейтринного реактора. Впервые нейтрино были обнаружены вылетающими из ядерных реакторов. Но более тщательный анализ в 2011 году предположил, что в течение долгого времени ученые упускали небольшую часть этих нейтрино. Теперь нужен эксперимент, который покажет, правда ли это. Проблема в том, что детектор нужно разместить крайне близко к ядерному реактору. Несколько смелых экспериментов — CeLAND в Японии и SOX в Европе — могут помочь ученым разобраться в этой проблеме.

Находки могут быть интересными, поскольку вполне могут указать на потенциально новый тип нейтрино, известный как стерильное нейтрино. В отличие от обычных нейтрино, которые взаимодействуют через две из четырех известных силы (гравитационной и слабой), стерильное нейтрино выдало бы свое присутствие только через гравитацию. Учитывая, что гравитация является самой слабой силой и нейтрино практически не обладают массой, обнаружить стерильные нейтрино будет крайне сложной задачей.

За последние десять лет появилось несколько и других нейтринных аномалий. Эксперимент под названием MiniBooNE, который должен был поставить точку в предыдущих противоречивых исследованиях, сделал несколько странных выводов, которые потенциально могут привести к новым свойствам нейтрино. MiniBooNE еще работает и продолжает находить интересное.

IceCube

Ощетинившись тысячей датчиков, кубический километр антарктического льда олицетворяет собой нейтринный телескоп IceCube. Это одна из самых безумных обсерваторий, которую только можно представить. Куб на самом деле представляет собой телескоп, который ищет нейтрино в потоке извне нашей Солнечной системы и галактики.

IceCube был завершен в 2010 году и представил первые результаты в 2012 году. В то время как обсерватория должна была помочь исследователям ответить на вопросы о глубокой вселенной, ее выводы слегка озадачили. Телескоп должен был увидеть много потоков нейтрино из космоса. Но увидел только два. События были настолько редкими, что коллаборация назвала их Берт и Эрни. В этом году случилось еще одно событие потока высокоэнергетических нейтрино, которое назвали Большой Птицей.

Высокоэнергетические нейтрино, как полагают, рождаются в результате невероятно мощных небесных событий, вроде загадочных гамма-всплесков. Но IceCube не удалось увидеть ни одну из неуловимых частиц в то же время, когда астрономы на других обсерваториях фиксировали вспышки гамма-лучей.

«Мы потратили некоторое время, сидя за пивом, и до сих пор я не услышал ничего хорошего», — рассказал физик Джон Лернд из Гавайского университета. — «Но вообще нам нравится эта ситуация. Получается, мы действительно где-то ошиблись».

IceCube продолжит сбор данных и возможно объяснить происходящее. Но его результаты указывают на необходимость строительства еще более крупных нейтринных телескопов (и, видимо, еще больше пива).

Ученые предложили построить обсерваторию ARIANNA, которая охватит около 1000 кубических километров шельфового ледника Росса в Антарктиде, чтобы наконец обнаружить пресловутый поток высокоэнергетических нейтрино.

Нейтринный эксперимент Long-Baseline

Для того, чтобы прояснить все оставшиеся вопросы о нейтрино, а также все новые, которые появятся в будущем, физики США надеются завершить эксперимент Long-Baseline (LBNE). Объект, расположенный в шахте в Южной Дакоте, зарегистрирует выстрел нейтрино из луча лаборатории Ферми в Иллинойсе в 1300 километрах.

Наблюдая за тем, как они колеблются между тремя типами, LBNE должен стать машиной для открытия свойств нейтрино. Нужно узнать массу нейтрино? LBNE скажет. Что происходит со стерильными нейтрино? Возможно, и здесь LBNE поддержит. К сожалению, проект стоит около 1,5 миллиарда долларов. Департамент энергетики США попросил физиков вернуться к чертежной доске и нарисовать более дешевую альтернативу.

Однако многие надеются, что финансирование когда-нибудь появится. Возможно, в следующем десятилетии будет построено что-то типа LBNE, и проблемы с нейтрино будут решены.

HL-LHC и ILC

Хоть БАК недавно и сделал самую важную находку в своей карьере, бозон Хиггса, ученые уже думают  о том, что еще можно выжать из мощной машины. Если все пойдет по плану, к 2020 году затея удастся.

High Luminosity (высокая светимость) LHC должна значительно увеличить энергию протонов, которые сталкиваются, возможно до 30 ТэВ, что более чем в три раза выше текущего пика энергии. Кстати, в США строили такой коллайдер Superconducting Supercollider, но отменили в середине 90-х. Инженеры также добавят протонов в пучки, увеличивая число столкновений, а следовательно и результатов распада.

«Условия для сбора данных будут достаточно суровыми», — говорит физик Мария Спиропулу из Калтеха. — «Мы называем это скоплением».

Физикам придется выяснить, как лучше прочесывать шум, чтобы видеть чрезвычайно редкие события, которые могут появиться в высокоэнергетических столкновениях. Ближайшие несколько лет им придется провести, изучая то, какими вообще эти события могут быть.

«Мы также обновим детекторы — superCMS и superATLAS», — комментирует Спиропулу. — «Ранее мы никогда этого не делали».

Также на бумаге существуют планы по строительству Международного линейного коллайдера (ILC), который превзойдет БАК. Япония сделала существенную ставку на эту машину, поглотив почти половину стоимости расходов, и хочет разместить ее на горной цепи Китами. Но партнеры ILC, в числе которых также Европа и США, до сих пор не внесли нужное финансирование, которое должно составить около 7 миллиардов долларов.

ILC сможет производить огромное количество бозонов Хиггса, что позволит ученым точно исследовать его свойства. Кроме того, могут раскрыться и другие аномальные события, которые могли бы привести к экзотическим теориям за пределами Стандартной модели. Если предположить, что окончательные проекты все еще утверждаются и финансируются (и то не факт), строительство ILC может начаться в 2016 году и закончиться не раньше, чем через 10 лет.

Исследования темной энергии

Одним из самых неожиданных открытий в конце 20 века была темная энергия. Идея того, что вселенная расширяется (расстояние между звездами и галактиками медленно растет) — странная, но ученые давно с этим смирились. Тем не менее, тщательные наблюдения за далекими сверхновыми показали, что пространство не только расширяется, а это расширение еще и ускоряется со временем.

У физиков до сих пор нет догадок о том, что вызывает ускорение. Темная энергия — это временный термин для огромной космической головоломки. Несколько предстоящих экспериментов будут пытаться выяснить, что происходит.

Большая часть из них будет составлять точную карту галактик и сверхновых в ночном небе. Эксперимент DES, который начался в этом году, получит изображения 300 миллионов галактик и 100 000 галактических скоплений. Из-за того, что свету требуется время, чтобы пройти свой путь, все увиденное на небе также будет отражением прошлого.

Выясняя то, как меняются крупномасштабные структуры с течением времени, космологи получат лучшее представление о том, как темная энергия работает на протяжении всей истории космоса. Телескоп Хобби-Эберли в рамках Dark Energy Experiment (HETDEX) также будет работать над выяснением того, как развивалась темная энергия с ходом времени.

 

 

 

---

link