Аномалия
Недавно СМИ объявили о перевернувшем всю физику элементарных частиц открытии, сделанном на коллайдере Тэватрон. Для нас эту ситуацию согласился прокомментировать сотрудник Льежского университета Игорь Иванов.
Автор: Алла Аршинова
| Раздел: Статьи |
Дата: 25 ноября 2008 года
В результате экспериментов на коллайдере Тэватрон участники коллаборации CDF отметили явление, которое пока не смогли для себя никак объяснить. Средства массовой информации, одно за другим, уже объявили об открытии, перевернувшем всю физику элементарных частиц. Однако специалисты предостерегают обывателей от поспешных выводов. Для нас эту ситуацию согласился прокомментировать сотрудник Льежского университета Игорь Иванов. Он объяснил, почему еще нет оснований говорить о каком бы то ни было открытии.
- Вы себе представляете, как проходит эксперимент в физике элементарных частиц? Элементарные частицы – это очень мелкие частицы, которые нельзя потрогать или взять пинцетом. Но с ними надо работать, и единственный способ, который сейчас придумали – с помощью электрического поля разделять атомы на отдельные протончики, электрончики и сталкивать друг с другом. Зачем сталкивать? Сталкивают их для того, чтобы посмотреть, как это все разлетается. Просто потому что это единственный способ заглянуть внутрь частиц. Сталкивать их приходится на большой энергии. Потому что если сталкивать на маленькой, то ничего интересного не получится – они будут как-то разлетаться и всё. Самое интересное начнется тогда, когда они их начнут сталкивать с такой скоростью и энергией, что станут рождаться неустойчивые новые частицы, отсутствующие в окружающем нас мире. Откуда эти частицы, пока неизвестно. Они есть в природе, но не совсем понятно, зачем они нужны, какой от них прок. Про некоторые ясно, про некоторые – не очень. Этим физика сейчас и занимается. Есть некий пласт реальности, который мы не видим в окружающей жизни, но который, по-видимому, очень важен для нее. Эти неустойчивые частицы ведь существуют не сами по себе, они тоже влияют на нас, поэтому их нужно изучать.
Тэватрон, кольцевой ускоритель-коллайдер, расположенный в национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми близ Чикаго
Для того чтобы сталкивать частицы на большой энергии, требуются очень большие установки. Это, вообще-то, чисто технический вопрос. Разгоняют частицы до высоких энергий в электрическом поле. Но электрическое поле тоже нельзя делать сколь угодно сильным. Поэтому приходится создавать очень длинные установки. Они дорогие, но их делают. На ускорителе Тэватрон сталкиваются протоны и антипротоны. Они сталкиваются с частотой много миллионов раз в секунду, при этом может рождаться что угодно, и все это записывается. Существуют огромные массивы данных, в которых записаны всевозможные результаты столкновений. Каждый такой результат столкновения называется "событие", и они бывают сложные, бывают простые. А затем берется какая-то небольшая группа, которая работает на детекторе, и она анализирует данные, выискивая в них события какого-то определенного типа.
Вообще, детектор – это то, что регистрирует результаты столкновений. Это как матрица цифровой фотокамеры, которая регистрирует свет (фотоны). В детекторе то же самое, только в гораздо больших объемах. Матрица не маленькая, а огромная, она имеет форму цилиндра, окружающего место столкновения протонов, и как бы смотрит вовнутрь. Она имеет много слоёв и измеряет не только то, что вылетает в результате столкновений, но и с какой энергией, под каким углом, с какой координатой. Вот это и есть детектор. На нем работает несколько сотен человек, они занимаются разными вещами, среди них есть люди, которые обрабатывают накопленные данные. Групп таких много, каждая из них занимается своей конкретной задачкой.
Одна из этих задач – изучение некоторых мезонов (это определенный тип неустойчивых частиц). Я об этом уже подробно писал в своей популярной заметке. Самое главное, что в изучении этих мезонов была загадка долгое время. В эксперименте получалось так, что они рождаются в столкновениях гораздо чаще, чем предсказывается теорией. Это может звучать как малоосмысленное неинтересное занятие, но для физиков это очень важно. Потому что мир элементарных частиц достаточно прост, гораздо проще, чем мир привычных вещей. И поэтому теоретики ожидают, что теоретические расчеты должны согласовываться с экспериментом. Это вам не финансовый кризис, в котором теоретики одно считают, а жизнь показывает другое. Там все должно согласовываться. А если нет, то это очень важный намек на то, что или теоретики чего-то не понимают в поведении уже открытых частиц, или рождаются какие-то новые частицы или силы.
На Тэватроне имел место как раз тот случай, когда эксперимент с теорией не согласовывается. Экспериментаторы снова и снова анализировали свои данные, чтобы понять, в чем причина. И вот сейчас, по-видимому, это выяснилось. Главную роль тут играли мюоны. Это давно известные элементарные частицы, которые обладают таким свойством, что через них очень легко все изучать. Так вот, оказалось, что большая доля мюонов рождалась слишком далеко от оси столкновения, и поэтому их неправильно приписывали к распаду мезонов. Долгое время смешивались эти две категории событий, а теперь поняли, в чем была проблема, отделили эти странные события от обычных, которые описываются распадами мезонов, и стали их изучать.
Изучали их около полугода, а может и больше, точно неизвестно, потому что пока эти данные не опубликованы, это сугубо внутренняя информация коллабораций, которые работают на детекторе и изучают все это. Они сделали еще не все проверки, потому что это очень сложный эксперимент чисто технически. Но предварительные данные опубликовали в виде статьи. Это сообщение не является пока открытием или указанием на открытие. В физике есть такие стандартные слова. Открытие – это когда мы абсолютно уверены, что какое-то явление реально происходит, что оно не может быть статистической флуктуацией. Указание на открытие – это когда нечто явно выделяется среди общего фона, но еще не дотягивает до этого критерия. Но чаще всего оно все-таки потом перерастает в открытие, когда накопится побольше информации. А у них на Тэватроне было нечто, что пока непонятно, как классифицировать. С одной стороны, количество событий очень большое. Случайно так получиться не может.
- Это был не единичный случай?
- Нет, наблюдалось несколько сотен тысяч событий. Но с другой стороны, еще не все проверки сделаны, потому что эксперименты, повторюсь, очень сложные.
- А сколько времени нужно, чтобы предположение об открытии подтвердилось или опроверглось?
- Существует несколько вариантов. На том же Тэватроне есть другой эксперимент, очень похожий, но чуть отличный. Это другой детектор, который параллельно изучает те же самые события. Физики, работающие на нем, по-видимому, не смотрели на события такого типа, но сейчас, когда они узнали результат другой группы, они решили проверить его на своей установке. Возможно, что это займет несколько месяцев. Сколько точно – неизвестно, потому что это зависит от внутренней политики группы – сколько они посчитают нужным проводить разнообразные проверки для того, чтобы стать уверенными, что они что-то видят или не видят. Примерно несколько месяцев. А вообще, все станет окончательно ясно только лет через десять. А может быть, меньше. Или больше. А через несколько месяцев будет лишь предварительный отчет второй группы, но еще не окончательное решение проблемы.
Дальше в зависимости от того, что они найдут, ситуация может развиваться по-разному. Если результаты подтвердятся, то есть тоже будет замечено большое количество событий с такими странными характеристиками, то это будет означать, что, действительно, нечто происходит. Но что это нечто – опять же непонятно. Это может быть, например, какая-то неучтенная ранее особенность такого типа детекторов, одинаковая для обоих экспериментов. Ну например, как такое может быть. В этих событиях обнаружено много мюонов. Когда частицы вылетают, на них вовсе не написано, что это мюон. Детектор должен сам понять, что это вылетело. Он это понимает по изучению характеристик этих частиц, например, по тому, как они проходят через разные слои вещества и так далее. Мюоны тем интересны, что они проходят через сотни метров вещества, этим они отличаются от других частиц, от протонов, например. Протоны очень быстро застревают в веществе. Электроны еще быстрее. Но мало ли, может быть у них есть в детекторе какие-то дырки. Речь же идет не о сплошном веществе, может быть через проводочки пролетела частица и отразилась в другом слое детектора. А детектор неправильно понял, что мюон. То есть, это другая частица была, а детектор подумал, что это мюон. Подобные вещи надо проверять. Поэтому если и вторая группа подтвердит результат, это может означать как то, что мы имеем дело с чем-то действительно происходящим в микромире, так и то, что это просто стандартный артефакт этих экспериментов, которого раньше почему-то не случалось. Ну а сейчас пока ситуация совершенно неопределенная. Никто не говорит, что это открытие.
- А у Вас есть какие-нибудь прогнозы? К чему Вы склоняетесь?
- Прогнозы я не буду давать. Не надо ни к чему склоняться. Это не социология. Надо подождать данные. Если у вас есть уравнение, и вы хотите, но не можете его решить, вы что, будете гадать, как все-таки оно выглядит, это решение? Вы не знаете ничего. И здесь тоже неизвестно.
- Но Вы же можете предположить - как теоретик?
То, что я теоретик, условно говоря, значит лишь, что я хорошо умею решать уравнения. Спекуляций не будем никаких здесь высказывать. Конечно, есть некоторые теоретические гипотезы. Но авторы этих гипотез вовсе не говорят о том, что вот, то что нашли, это подтверждение нашей теории. Есть просто теоретические расчеты, которые в чем-то похожи на обнаруженные события. Но они заведомо не могут быть ими, потому что в другом они точно не похожи.
- Возвращаясь к данным Тэватрона, в чем уникальность этого события?
- Уникальность этого явления заключается в том, что известными частицами и их рождениями это нельзя описать, в этом и уникальность. Как это можно описать, пока неизвестно.
- Какова вероятность артефакта?
-Опять же, неизвестно. Экспериментаторы склоняются к тому, что это артефакт аппаратуры. Это опять же ничего не значит кроме того, что конкретные люди считают так на основании своего опыта. Стоит заметить, что вовсе не все участники этого эксперимента подписались под этой статьей. Некоторые считают, что было сделано недостаточно проверок. А остальные считают, что предварительные результаты тоже полезно опубликовать. Потому что это скажет другим экспериментаторам, чтобы они тоже начали искать, а может быть польза и от теоретиков будет.
- Что повлечет за собой это "открытие"?
- Когда оно станет открытием, тогда можно будет и говорить. Если событие действительно подтвердится, это будет нечто очень интересное. Такого в последние лет 20 не было.
- Какие существуют гипотезы?
- Гипотезы существуют разные. Новые частицы, новое взаимодействие, подробности, мне кажется, рассказывать не очень осмысленно. Сложно это все. Одну вы и сами знаете. Она заключается в том, что рождаются новые частицы, которые пролетают несколько сантиметров и распадаются. Этих частиц в Стандартной модели нет. Поэтому если эти частицы существуют, то они какими-то другими должны быть. Ясно также, что их свойства будут достаточно экзотическими.
- Какие перспективы может открыть это явление?
- Надо дальше изучать эти события. Статистика накоплена. В каждом из этих событий есть много частиц. Нужно смотреть, как они скоррелированы друг с другом. Есть много разных приемов, как извлекать информацию из событий, далеко не все они еще использованы, поэтому, скорее всего, те же самые данные будут переобработаны. И тогда будут представлены новые графики, и, вероятно, можно будет увидеть что-то дополнительное. Это раз. Второе. Другой эксперимент на Тэватроне должен сказать свое слово – видит он это или не видит. После того, как проверки будут сделаны, можно будет идти дальше.
- Второй эксперимент будет "проверять" результаты первого?
- Для больших ускорителей это традиционная практика. Для того чтобы упредить артефакт какого-то одного эксперимента, обычно делается как минимум два крупных похожих эксперимента, которые изучают одно и то же, но немного разными методами. У детектора есть разные компоненты. Все их оптимизировать нельзя, потому что они занимают много места и мешают друг другу. Поэтому некоторые детекторы оптимизированы под один тип компонентов, некоторые - под другой. То есть у какого-то одна величина лучше измеряется, а другая хуже, а у других – наоборот. Поэтому они дублируют друг друга, но не полностью. Это полезно, потому что если что-то сбоит в одном эксперименте, второй может сказать, насколько это важно. Второй эксперимент такого же типа, но немного по-другому построенный. И на нем будут измерять то, на что раньше просто не догадывались обратить внимание. Сейчас группа ученых с другого детектора будет изучать такие события и должна во многом прояснить картину.
- Можно ли говорить о конкуренции между Тэватроном и LHC?
- В каком смысле? Тэватрон сейчас работает, Большой адронный коллайдер не работает и не будет работать минимум до следующего года. Когда он будет запускаться, он еще будет долго раскачиваться. Поэтому у Тэватрона еще минимум полтора года, чтоб работать без всяких конкурентов. Конечно, когда LHC вступит в строй, он гораздо эффективнее будет работать, у него энергии больше и мощность у него больше. Но можно про конкуренцию в другом смысле говорить, про конкуренцию результатов, которые там будут получаться. Что именно вы хотите узнать? Кто быстрее найдет одну частицу? Хорошо. Тогда вопрос – какую? Бозон Хиггса? Стандартный вопрос. Неизвестно. Это зависит от того, каков бозон Хиггса на самом деле. Если он "удобный для открытия", если он находится в удобном диапазоне масс, то Тэватрон его успеет найти. Если он находится в неудобном диапазоне масс, тогда Тэватрон не успеет его открыть, и его найдет LHC. А если бозона Хиггса вообще не существует, то тогда ни тот, ни другой не найдет. Они найдут что-то другое.
- Выходит, что бозон Хиггса может вообще не существовать, и ученые ищут то, чего нет?
- Ищут не его. Это тоже стандартный шаблон. На самом деле это все не так.
- А как же?
- Все это подробно и доступно можно прочесть в уже опубликованных материалах, например, в популярном проекте, посвященном Большому адронному коллайдеру, который я веду на "Элементах.ру". Если кратко, то смотрите. Есть теории, которые сейчас описывают то, что в эксперименте уже измерено. Это все в целом называется Стандартная модель. Это набор теорий, которые друг с другом согласованы, в том числе математически. Они очень хорошо с высокой точностью описывают измеренные значения известных частиц. Но теоретики четко знают – эта Стандартная модель должна быть приближением к какой-то более фундаментальной теории. Что это за теория – пока неизвестно, хотя теоретики придумали десятки ее вариантов, и они все очень сильно различаются. Согласно некоторым из них, мы живем в одиннадцатимерном пространстве, просто мы не видим остальные измерения. В других моделях есть масса новых частиц, которые очень тяжелые, поэтому они уже давно распались и не проявляют себя никак в этом мире. В третьем типе модели вообще изначально нет пространства-времени, есть просто набор узлов, дискретная решеточка такая, которую мы ощущаем почему-то как непрерывное пространство-время. Это все разные теории, но они строятся так, чтобы сводиться приблизительно к Стандартной модели.
Почти во всех этих теориях утверждается, что отличие от Стандартной модели начинается на энергиях столкновений порядка 1 ТэВ (тераэлектронвольт). На LHC энергия столкновений будет равна 14 ТэВ. Поэтому физики уверены, что что-то там обязательно будет, но что именно, непонятно. Хиггсовский бозон – это всего лишь один из конкретных кирпичиков, конкретных этапов экспериментов на LHC. Просто о нем удобно рассказывать журналистам, поэтому его постоянно упоминают. Он – одна из конкретных составляющих этих моделей, и через него можно заглянуть в эти новые теории. Если он не будет обнаружен, будет обнаружено что-то другое. Абсолютно гарантировано, что в этом диапазоне энергий будет проявляться нечто. Разные теории предсказывают разное нечто. Хиггсовский бозон предсказывают многие из них.
Vova
