Где прячется новая физика?
Шел 2016 год, физики работали не покладая рук. Четыре года назад БАК подтвердил существование бозона Хиггса, предсказанного Стандартной моделью. Все шло к тому, что БАК должен найти и другие новые частицы — сама природа, казалось, требовала их. Но все данные, собранные учеными, лишь разбивали их мечты в пух и прах. Стандартная модель и общая теория относительности работают прекрасно, но физики чувствуют, что где-то есть подвох. Они думают, что эти теории неполные, не соотносятся одна с другой и порой приводят к парадоксам, лечения которым еще не нашли. Должно быть что-то еще. Но где искать?
Тайников с новыми явлениями становится все меньше. Но физики еще не исчерпали все возможности. Перед вами наиболее перспективные направления, в которых на данный момент ведутся поиски.
Столкновения частиц при высоких энергиях, вроде тех, что достигали с помощью БАК, могут производить все существующие частицы до энергий, которые были у сталкивающихся частиц. Но количество новых частиц зависит от силы их взаимодействия. Частица, которая очень слабо взаимодействует, может рождаться так редко, что ее до сих пор не видели.
Физики предложили много новых частиц, которые попадают в эту категорию, поскольку слабо взаимодействующий материал в целом выглядит очень похожим на темную материю. В частности, сюда входят слабо взаимодействующие массивные частицы (вимпы), стерильные нейтрино и аксионы (также сильный кандидат в темную материю).
Такие частицы ищут как с помощью прямых измерений — наблюдая за большими резервуарами в подземных шахтах в ожидании редких взаимодействий, — так и высматривая необъяснимые астрофизические процессы, которые могли бы выступить в роли непрямого сигнала.
Если бы эти частицы не были слабо взаимодействующего типа, мы бы их уже заметили, если только их масса не выходит за пределы энергии, которой нам удалось достичь с ускорителями частиц на данный момент. В этой категории мы имеем все суперсимметричные частицы-партнеры, которые намного тяжелее частиц стандартной модели, поскольку суперсимметрия нарушена. Кроме того, на высоких энергиях можно было бы увидеть возбуждения частиц, которые присутствуют в моделях с компактифицированными дополнительными измерениями. Эти возбуждения показываются на определенных дискретных уровнях энергии, которые зависят от размера дополнительного измерения.
Строго говоря, большую роль в вопросе возможного обнаружения такой частицы играет не масса, а энергия, необходимая для производства таких частиц. Сильное ядерное взаимодействие, например, демонстрирует «конфайнмент», означающий, что для разрыва кварков нужно много энергии, даже если их масса не очень велика. Следовательно, кварки должны иметь составляющие — их часто называют «преонами» — которые обладают взаимодействием — «техниколором» — похожим на сильное ядерное. Самые очевидные модели техниколора вступили в противоречие с данными еще десятки лет назад. Но идея продолжает жить, и хотя выжившие модели не особо популярны, сбрасывать ее со счетов не стоит.
Эти явления ищут на БАК и в высокоэнергетических космических лучах.
Высокоточные испытания процессов Стандартной модели дополняют измерения высоких энергий. Они могут быть чувствительны к мельчайшим эффектам, вытекающим из виртуальных частиц, энергия которых слишком высока, чтобы их можно было произвести на ускорителях, но очень важным на низких энергиях из-за квантовых эффектов. Примеры тому — распад протона, нейтрон-антинейтронные осцилляции, мюон g-2, каонные осцилляции. Для всех этих примеров имеются эксперименты, которые ищут отклонения в Стандартной модели, и точность этих измерений непрерывно растет.
Другое высокоточное испытание — поиск безнейтринного двойного бета-распада, который продемонстрировал бы, что нейтрино являются майорановскими частицами, совершенно новым типом частиц.
Во времена молодой Вселенной, материя была гораздо плотнее и горячее, чем мы могли бы надеяться когда-либо достичь на наших ускорителях частиц. Следовательно, оставшиеся от этих времен сигнатуры могли бы дать нам новую пищу для размышлений. Колебания температур в космическом микроволновом фоне могли бы проверить сценарии инфляции или ее альтернатив, могла бы наша Вселенная пережить «большой отскок» вместо «большого взрыва» и квантовалась ли в те времена гравитации.
Некоторые сигнатуры новой физики проявляются на больших расстояниях, а не на малых. Нерешенным вопросом остается, например, форма Вселенной. Является ли она бесконечно большой или же замыкается сама в себе? А если да, то как именно? Одно из исследований, посвященных этому вопросу, заключается в поиске повторяющихся паттернов в температурных флуктуациях космического микроволнового фона (CMB). Если мы живем в мультивселенной, две вселенные могли бы случайно столкнуться, что оставило бы след в CMB. Другое явление, которое может проявиться на больших расстояниях, это пятая сила, которая может приводить к легким нарушениям ОТО.
Не все эксперименты большие и дорогие. Хотя открытия «на коленке» становятся все менее вероятными просто потому, что многое уже было испробовано и сделано, остаются области, где небольшие лабораторные эксперименты могли бы направить нас на новый след. Особенно это касается квантовой механики, в которой крошечные механизмы и детекторы позволяют проводить ранее невозможные эксперименты. Может быть, однажды мы сможем решить спор по поводу «правильной» интерпретации квантовой механики, просто измерив, какая из них является правильной.
Физика еще далека от завершения. Становится все труднее проверять новые фундаментальные теории, но мы постепенно расширяем границы многих действующих экспериментов. Где-то там может быть новая физика; нам нужно просто повышать энергии, точность и искать все более тонкие эффекты. Если природа будет добра к нам, в этом десятилетии мы сможем разрушить Стандартную модель и отправиться к новой вселенной за ее пределами.