Подпишитесь на оповещения
от Газеты.Ru
Дополнительно подписаться
на сообщения раздела СПОРТ
Отклонить
Подписаться
Получать сообщения
раздела Спорт

Пять загадок физики после бозона Хиггса

Новая физика: что ученые должны узнать после открытия бозона Хиггса

Григорий Колпаков 04.07.2014, 12:15
AP

Два года назад, 4 июля 2012 года, физики объявили о том, что они обнаружили бозон Хиггса, что подтвердило Стандартную модель, которая сегодня описывает законы мира элементарных частиц. «Газета.Ru» рассказывает о новых вызовах, которые стоят перед учеными, — это то, что Стандартная модель объяснить не может.

Ровно два года назад физики Европейского центра ядерных исследований (CERN) объявили миру о том, что они, наконец, поймали бозон Хиггса. Точнее они заявили о том, что сразу на двух детекторах Большого адронного коллайдера (БАК) они с большой вероятностью, которую можно приравнять к уверенности, обнаружили кандидата на роль этой частицы. Тем самым они оправдали миллиарды евро, затраченные человечеством на строительство БАК, ведь ради этой частицы он в первую очередь и строился.

Существование этого бозона (так называют частицы с нулевым, или целым, спином) было предсказано британским теоретиком Питером Хиггсом еще в 1964 году. Для Стандартной модели, которая сегодня описывает законы мира элементарных частиц, его наличие обязательно. Все эти годы на различных ускорителях ученые безрезультатно (правда, иногда с намеком на положительный результат) пытались поймать неуловимую частицу: ведь если его не существует в природе, то получается, что Стандартная модель не работает и мы неправильно понимаем мир. Так что открытие команды из CERN стало триумфом, шагом в новую физику, полную, как ожидают, новых сюрпризов. Триумф этот, правда, имел сильный привкус разочарования: ведь, в сущности, подтверждена только справедливость Стандартной модели, а новая физика так пока и осталась старой и сюрпризов пока что-то не принесла.

Впрочем сюрпризов, с которыми нужно еще разбираться, предостаточно и без Стандартной модели. О них «Газета.Ru» и вспоминает в данном материале.

Темная материя

О темной материи астрономы заговорили еще в первой половине прошлого века, чтобы объяснить странности звездных наблюдений. Швейцарец Фриц Цвикки, заметив, что звезды нашей Галактики движутся слишком быстро для того, чтобы взаимное притяжение не позволило им разлететься, предположил, что в Галактике есть еще какое-то вещество, которое своим тяготением удерживает звезды на их орбитах в галактическом диске.

Вещество это невидимо, оно не испускает электромагнитного излучения и не взаимодействует с ним.

Несмотря на то что Вселенная на 90% состоит из темной материи, что она собой представляет, до сих пор неизвестно. Гипотез множество, но большинство исследователей склоняется к тому, что это облако массивных частиц, обладающих лишь слабым взаимодействием, так называемых вимпов (wimps – weakly interacting massive particles). Что это за частицы, никто не знает, и поиском их заняты сейчас в США и Европе сразу несколько коллабораций. Время от времени то одни, то другие уже почти заявляют, что вимпы обнаружены, но впоследствии эти открытия признаются сомнительными.

Впрочем, существует и точка зрения, что никакой темной материи не существует, а наблюдаемые несоответствия можно объяснить модифицированной ньютоновской динамикой (МОНД), согласно которой закон гравитационного взаимодействия имеет другую форму на больших масштабах. Но и эта теория не в полной мере подтверждается наблюдениями.

Темная энергия

Еще хуже с темной энергией. Что это такое, вообще непонятно. В конце 90-х годов прошлого века астрономы вдруг обнаружили, что Вселенная расширяется с ускорением, как будто какая-то сила расталкивает галактики, словно существует гравитация со знаком минус. За это открытие была присуждена Нобелевская премия.

Относительно свойств темной энергии существует два мнения. Общераспространенное мнение сводится к тому, что это космологическая константа – энергия, заполняющая Вселенную с неизменной плотностью. Менее распространена идея о том, что энергетическая плотность темной энергии может меняться в пространстве и времени.

Темная энергия вносит свой вклад и во Вселенную, причем отнюдь не маленький.

В марте прошлого года были опубликованы данные наблюдений космической обсерватории «Планк», согласно которым общая масса-энергия наблюдаемой Вселенной на 95,1% состоит из темной энергии (68,3%) и темной материи (26,8%). Так что на долю нормальной материи остаются какие-то жалкие 5%.

Гравитационные волны

Физикам предстоит также разобраться с гравитационными волнами, существование которых вытекает из теории относительности. Согласно Эйнштейну, их должна излучать любая масса, движущаяся с ускорением.

Проблема лишь в том, что для регистрации этих волн либо масса, либо ускорение, либо и то и другое вместе должны быть чрезвычайно большими — пока зарегистрировать их никак не удается.

Скорость их распространения варьируется от скорости света в вакууме (ОТО) вплоть до бесконечности. Физики уверены в существовании гравитационных волн: об этом свидетельствуют наблюдения за двойными системами «пульсар — его компактный компаньон». Ускорение вращения в таких системах полностью совпадает с предсказаниями ОТО — с потерей энергии на излучение гравитационных волн.

Асимметрия материи и антиматерии во Вселенной

Не меньшей загадкой считается и асимметрия материи и антиматерии во Вселенной. Считается, что в момент Большого взрыва их количества были равны. Однако сегодня известная нам Вселенная (нормальная ее часть) почти полностью лишена антиматерии.

Ученые до сих пор не могут объяснить, каким образом она исчезла.

Существует надежда, что эта загадка, над которой ученые бьются десятилетиями, может быть разгадана в обозримом будущем. В апреле немецким физикам удалось с небывало высокой точностью измерить магнитный момент протона. Теперь они планируют сделать то же самое с антипротоном. По словам исследователей, даже малейшая разница между магнитным моментом частицы и античастицы может пролить свет на причины загадочной асимметрии.

Масса нейтрино

Наконец, переворот в физике может совершить тот факт, что такая изначально безмассовая частица, как нейтрино, все-таки имеет массу, правда очень маленькую: она весит примерно в миллиард раз меньше протона.

Об отсутствии массы у нейтрино заявлял в 1930 году Паули, человек, высказавший гипотезу о существовании подобной частицы, то же постулируется и Стандартной моделью. Однако, открыв ее и обнаружив, что существует как минимум три различных вида нейтрино, и начав регистрировать их сверхчувствительными детекторами, физики столкнулись с необычным явлением: один вид нейтрино мог по пути к Земле превращаться в другой. Такое, заключили ученые, может произойти лишь в том случае, если у нейтрино есть масса.

Сегодня никто не понимает, почему она есть, никто не может объяснить, почему он так мала, наконец, никто на сегодня не смог определить величину этой массы.

Как бы там ни было, наличие массы у безмассовой частицы, ее безумная малость говорит о совершенно новых явлениях, которые должны происходить при высоких энергиях, еще недоступных эксперименту. Ясно также, что Стандартная модель неполна и надо искать новые явления за ее пределами. То есть заниматься тем, чем мечтает заниматься новая физика.