Seed спрашивает некоторых из самых больших живущих физиков, что мы надеемся узнать с помощью LHC.

Вид детектора АТЛАСА в экспериментальном зале, примерно 100-метровом подземелье. АТЛАС - один из пяти экспериментов физики элементарных частиц на Большом Адронном Коллайдере . Credit: Guido Mocafico

Большой Адронный Коллайдер (LHC) в настоящее время сооружаемый в ЦЕРН - самое большое фундаментальное усилие науки в истории. Примерно половина физиков частиц в мире, 7 000 людей, делают Коллайдер их рабочим местом. Эта целеустремленная группа мужчин и женщин приветствует больше чем 80 стран. Они представляют почти каждую религию и этническую принадлежность на Воплощающем землю любопытстве, сотрудничестве, блеске и изобретательности в самом великом масштабе.

LHC - круговой туннель 27 км в окружности, разделенный пополам франко-швейцарской границей. Более чем 100 миллиардов протонов пересекут его тропы почти со скоростью света, управляемые приблизительно 9 300 сверхпроводящими магнитами, каждый весит несколько тонн и охлажден до температур, более холодных чем открытый космос. В четырех точках в туннелях, противоположно вращающиеся протоны должны разбиваться друг о друга почти миллиард раз в секунду.

В точках пересечения находятся огромные датчики, чтобы регистрировать крошечные пучки развалин, которые появляются от каждого из столкновений. Один из этих инструментов имеет достаточно железа, чтобы восстановить Эйфелеву башню; другой в два с половиной раза больше, чем Парфенон и выше, чем Колосс Родосский. Информация от этих субатомных дорожных происшествий будет ускорена вокруг земного шара по наибольшей из существовавших компьютерной сети - нервной системе для всех мозгов, которые будут изо всех сил пытаться извлечь смысл из бесчисленных данных. Вся эта превосходная степень существует по одной причине: чтобы понимать вселенную.

Seed попросил, чтобы люди с самой большой долей проницательности в чудесах природы поделились их надеждами вопросами и самыми дикими фантазиями об LHC.

Есть ли другие измерения?

Удивительно успешная Стандартная Модель физики элементарных частиц описывает самые фундаментальные элементы материи и сил, через которые они взаимодействуют. Физики проверили ее предсказания лучше, чем с 1%-ой точностью. Все же несмотря на ее многие успехи, мы знаем, что Стандартная Модель - это не все. Если мы применяем известные принципы квантовой механики и специальной теории относительности, чтобы вычислить то, какими мы ожидаем массы, мы находим, что результаты на 16 порядков величины, больше чем измеренные значения, так велики, что гравитационные эффекты были бы сопоставимы с эффектами других сил частиц. Но для известных масс частиц гравитация незначительна по сравнению с другими силами. Чтобы избежать этой проблемы, Стандартная Модель полагается на огромную выдумку - что мы физики называем "тонкой подстройкой".

С 1970-ых годов физики частиц искали естественное объяснение известных масс частиц и слабости гравитации. Но они не преуспели в получении изящного решения только с тремя измерениями пространства. Вселенная с дополнительными измерениями могла бы дать ответ. Гравитация могла быть чрезвычайно слаба в нашей области высокомерной вселенной, но сильна где-то в другом месте.

Великолепно, что мы знаем, что ответ на вопрос о слабости гравитации должен быть, и что он должен быть найден на LHC, независимо от того, каким окажется объяснение. Если это -исковерканные дополнительные измерения, упомянем только одну возможность, экспериментальное свидетельство было бы частицами, которые движутся в пространстве дополнительных размерностей, но показывают себя в наших трехмерных экспериментах. И сигнал будет захватывающим. Экспериментаторы думают, что это могло быть одно из самых легких новых явлений для того, чтобы его произвести и обнаружить. Но независимо от того каким окажется объяснение слабости гравитации, LHC готов. И мы нетерпеливо ждем ответа.

- Лайза Рэндалл, Гарвардский Университет, автор книги "Исковерканные Пассажи: Обнаружение Тайн Скрытых Измерений Вселенной"

Почему Вселенная расширяется?

Прошло больше 30 лет с тех пор, когда мы последний раз исследовали действительно новую высокоэнергетическую территорию в физике. С нашим предыдущим держащим рекорд ускорителем мы продвигались от неподвижных мишеней до лобовых столкновений частиц, и получили четырехкратное увеличение энергии. LHC даст нам другое почти 10-кратное повышение, принося нас к энергиям, где все теоретические фантазии возможны. Этот большой шаг эффективно увеличен огромным увеличением (примерно 100-кратным!) в светимости - числе лобовых столкновений в секунду протонов с протонами. В действительности, достижение энергий LHC - это наибольшее увеличение наблюдательной мощи в истории.

Интенсивный LHC конечно поможет нам понять то, что стало одной из самых глубоких загадок в современной памяти - ускоренное расширение вселенной. LHC - мерцающий пример старой потребности человечества исследовать новые границы. Долго кипящему беспокойству о слабости гравитации Эйнштейна можно противостоять. Однако, что наверняка - то, что LHC с его удивительными возможностями ответит на все наши текущие проблемы астрофизики частиц и - если можно доверять истории, откроет новые истины, о которых мы и не мечтали в нашей философии.

- Леон Ледерман, лауреат Нобелевской премии, Национальная Лаборатория Ускорителей имени Ферми

Сколько Вселенных?

Действительно ли законы физики - те же самые всюду во вселенной? Или мы живем в разнообразной мульти-вселенной, с физикой низких энергий, решительно меняющейся при переходе от одного места к другому? До недавнего времени, физики полагали, что суперсимметрия ответственна за очевидные точные подстройки в физике элементарных частиц. Если это верно, то подписи суперсимметрии, очень вероятно, обнаружатся на LHC. Однако, теперь есть другая популярная альтернатива: обширный "пейзаж (ландшафт )" "окружающих сред", предсказанных теорией струн. В этой картине, точная подстройка объясняется антропным выбором - трюизмом, что мы населяем тот вид вселенной, которая является гостеприимной для жизни - и суперсимметрия может быть нарушена на много более высоком масштабе, далеко вне досягаемости LHC. Если никакого следа суперсимметрии не будет найдено, то это будет косвенным свидетельством существования мульти-вселенной.

- Александр Виленкин, директор Института Космологии имениТафта, Университета Тафта и авторакниги "Многие Миры в Одном: Поиск Других Вселенных"

Что является Темной Материей?

В течение более чем 50 лет ЦЕРН был замечательным примером европейского сотрудничества. Теперь это поистине "мировая лаборатория," предназначенная быть фокусом интересной физики элементарных частиц в течение по крайней мере следующего десятилетия. Я надеюсь, что это разъяснит природу частиц, которые составляют "темную материю" во вселенной.

- Сэр Мартин Рис, Кембриджский Университет, президент Королевского Общества и Королевский Астроном

Как нарушена симметрия?

Одна из больших тайн физики - почему электромагнитные и слабые взаимодействия, которые являются двумя из главных элементарных сил частицы, являются настолько отличными друг от друга. Мы буквально видим электромагнитные эффекты нашими глазами в виде света. С другой стороны, требуется чувствительное современное оборудование, чтобы обнаружить и изучить слабые взаимодействия. Все же современная Стандартная Модель говорит, что на фундаментальном уровне эти две силы находятся на равной ноге и описываются очень похожими уравнениями (уравнения Максвелла для электромагнетизма, уравнения Янга-Миллса для слабых взаимодействий). Различие между этими двумя силами является результатом только процесса "нарушения симметрии," посредством которого природа спонтанно предпочитает одну силу другой - при том, что в сущности они эквивалентны. LHC скажет нам, правильно ли это понимание, и если да, то как оно работает.

Понимание того, как нарушена симметрия - ключ к пониманию, как слабые и электромагнитные взаимодействия объединены в природе. Это, как полагают, является важным шагом к пониманию более широкого объединения законов природы.

- Эдвард Виттен, лауреат Медали Филдса, Институт Специальных исследований, Университет Принстона

Почему 26?

Наша теория физики элементарных частиц содержит 26 чисел. Почему они имеют эти специфические значения? Как начиналась вселенная? Или - начиналась ли она вообще?

- Макс Тегмарк, MIT, научный директор, Институт Основополагающих Вопросов

Действительно ли Вселенная является антропной?

Я вижу только два возможных результата проекта LHC - или будет суперсимметрия при низких энергях, или не будет. Если нет, я ожидал бы, что минимальная Стандартная Модель будет преобладать. В любом случае, будет доказано существование частицы Хиггса - все-еще гипотетической частицы, постулированной в 1960-х годах - таким образом, объяснив массы фундаментальных частиц.

Главная концептуальная проблема имеет отношение к тонкой подстройке. Обычная мудрость, которая преобладала с начала 80-х, говорит, что чистая Стандартная Модель требует ультраточной надстройки, чтобы удержать массы элементарных частиц, типа кварков и электронов от поглощения более высокими энергиями объединения или масштабом Планка. (Это было названо проблемой "калибровочной иерархии" .) Было предложено несколько решений, включая техницвет и дополнительные измерения (в действительности, одно и то же), но они не выглядят жизнеспособными. Суперсимметрия может предотвратить бедствие калибровочной иерархии, которое является действительно бедствием: если бы оно имело место,то конечно исключило бы жизнь, насколько мы ее знаем.

Подобная логика говорит, что космологическая постоянная должна также получить некоторый крупный масштаб, который также оказался бы бедствием для жизни. В настоящее время, единственное объяснение величины космологической постоянной - это антропный принцип - страшное "слово", которое означает, что если бы вселенная не была такой, как эта, нас бы здесь не было, чтобы наблюдать ее. Так для меня большим вопросом является то, подобна ли точная настройка калибровочной иерархии точной настройке космологической постоянной, или если она имеет более обычное суперсимметрическое объяснение. Любой случай будет невероятно интересен.

- Леонард Susskind, Стэнфордский Университет,

автор книги "Космический Ландшафт: Теория струн и Иллюзия Интеллектуального Проекта"

Детектор CMS. Управляемые протонные пучки столкнутся в середине CMS и трех других детекторов. Credit: Guido Mocafico

Что если все мы неправы?

Что ужасает теоретиков - то, что LHC может не обнаружить ничего, кроме единственной нейтральной частицы - "хиггса", которая требуется стандартной электрослабой теорией. Без признака суперсимметрии или техницвета или чего - нибудь неожиданного, мы не получим никакого ключа к тому, что случается при намного более высоких энергиях, когда гравитация становится сильной. Мы пылко надеемся на какие-нибудь сложные открытия.

- Стивен Вейнберг, лауреат Нобелевской премии, Университет Техаса в Остине

Почему мы смотрим?

Есть много спекулятивных идей о возможных открытях на LHC. Они включают признаки дополнительных измерений, черных дыр, струн, магнитных монополей, и т.д.

Я полагаю, что все это существует, и я был бы взволнован, получив экспериментальное подтверждение - но я являюсь пессимистом по части перспектив найти их в диапазоне энергий LHC. Я подозреваю, что необходимые энергии для этих эффектов должны были бы быть по крайней мере в триллион раз выше. Я могу быть неправ. Именно поэтому важно, чтобы эти эксперименты были выполнены.

- Джон Шварц, лауреат Медали Дирака, Калифорнийский Технологический Институт

Как силы объединяются?

Физики сегодня борются с огромными вопросами: Как мы можем объединить квантовую механику и гравитацию? Объединяются ли силы природы? Масштаб времени, по которому эксперименты разрабатываются и выполняются, стал устрашающим, и все же чувствительные эксперименты уже ищут гравитационные волны, темную материю и темную энергию, так же как исследуют нейтрино и стабильность материи.

Но LHC является лучшим из всех инструментов, продвигая высокоэнергетическую границу в царство, которое озадачивало физиков со времен Ферми. Красота науки состоит в том, что мы не знаем, какие неожиданности могут ждать нас в этих областях. Огромность вопросов и мощи экспериментов обещают драматические изменения в нашем понимании архитектуры действительности.

-Sean Карролл, Университет Чикаго

Сколько еще Почему?

Космология и астрономия сказали нам, что вселенная состоит из материи, а не антивещества, но они не могут сказать нам почему; они говорят нам, что четверть вселенной - темная материя, но они не могут сказать нам, чем является темная материя; они подразумевают, что три пространственных измерения, надутые очень быстро, начались в Большом Взрыве, но не могут сказать нам, какой физический эффект вызвал эту инфляцию. Стандартная Модель включает поле Хиггса, которое позволяет кваркам и электронам иметь массу. Но она не говорит нам о происхождении поля Хиггса или о том, как оно работает.

Если вселенная будет суперсимметричной, что подразумевает, что каждая фундаментальная частица имеет суперпартнера, то мы будем иметь ответы на все эти вопросы, и также узнаем ответы на "почему" многих из большинства важных вопросов.

LHC мог бы обнаружить суперпартнеров в суперсимметричном мире. В дополнение к сильному теоретическому свидетельству в пользу физики хиггса, есть сильное косвенное экспериментальное свидетельство, что хиггсовские частицы действительно существуют с массой, подразумеваемой суперсимметрией. Если так, LHC может обнаружить их. То, что мы изучим, изучая суперпартнеров и хиггсовские бозоны, может обеспечить ответы об асимметрии материи и о темной материи, так же как помочь идентифицировать то, что вызвало необузданное первичное расширение Вселенной.

Вероятно главное, что мы узнали за прошлые два десятилетия, - это, что любое понимание природы на самом фундаментальном уровне (сверх описания) будет требовать, чтобы расширение нашего понимания включило наш мир в дополнительные измерения. Теория струн требует, чтобы мы жили в дополнительных пространственных измерениях, вероятно обернутых в крошечном объеме в каждой из точек нашего пространства-времени. Суперсимметрия обобщает все пространственные измерения, делая их квантово-механическими, нулевого размера. В суперсимметричном мире мы можем проверить предсказания теории струн на LHC и спросить о значении данных LHC для теории струн. Оптимист (вроде меня) может утверждать, что данные LHC могли бы проверить суперсимметрию, подтвердить теорию струн и продвинуться дальше к оставшимся вопросам "почему".

- Гордон Кэйн, директор, Мичиганский Центр Теоретической Физики, Университет Мичигана