Законите на физиката са непълни: какво ще правят учените, ако Големият адронен колайдер не доведе до нови открития?

Големият адронен колайдер, перлата в короната на инженерните науки, ни донесе Хигс бозона и… тишина. Стандартният модел, описващ света на частиците, се оказа ужасяващо точен и същевременно непълен. Докато гигантските ускорители мълчат, физиците от целия свят, ръководени от ветерани, се опитват да разчупят реалността откъм задния вход, изучавайки процеси, които са толкова редки, че изглеждат почти невъзможни.

Великолепният затвор на стандартния модел

Представете си перфектно построена, елегантна и здрава сграда. Всичко е на мястото си, всяко винтче е на своето място, всеки закон работи перфектно. Това е Стандартният модел на физиката на елементарните частици. През последния половин век той е предсказал резултатите от хиляди експерименти с невероятна точност. Триумфът му беше откриването на Хигс бозона през 2012 г. с помощта на Големия адронен колайдер (LHC) – последната липсваща тухла беше намерена и сградата изглеждаше завършена.

Но тази величествена сграда има един проблем: тя се намира в средата на огромен, непознат свят, чието съществуване напълно игнорира. Стандартният модел не казва нищо за тъмната материя – гравитационната сила, която държи галактиките заедно. Той не обяснява защо след Големия взрив материята не е анихилирала с антиматерията, оставяйки след себе си само празнота. Ние съществуваме, което означава, че теорията, описваща нашия свят, е непълна.

Физиците бяха сигурни, че LHC (The Large Hadron Collider), който сблъсква протоните с колосални енергии, ще бъде ключът към нова физика. Очакваха да видят цял „зоопарк“ от екзотични частици, които да посочат пътя отвъд Стандартния модел. Но годините минаваха, а колайдерът упорито мълчеше. С изключение на Хигс бозона – нищо. Това мълчание породи тиха тревога в научната общност: ами ако търсим на грешното място или по погрешен начин?

Когато прекият път е затворен: зептовселената

Може би новите частици просто са твърде масивни и няма достатъчно енергия в LHC, за да бъдат създадени. В света на квантовата физика високата енергия е еквивалентна на способността да „виждаш“ на много малки разстояния. LHC е нашият най-мощен микроскоп, който ни позволява да надникнем на разстояния от порядъка на 50 зептометра (50 x 10-²¹ метра).

Но какво би било, ако новата физика се крие още по-дълбоко, в свят, който теоретикът Анджей Бурас нарече „зептовселена“ – в мащаб от една секстилионна част от метъра?

Изграждането на още по-мощен колайдер е проект, който продължава десетилетия и изисква огромни ресурси и политическа воля. 78-годишният Бурас няма намерение да чака. Той се е превърнал в един от основните идеолози на алтернативния подход: ако не можеш да отвориш предната врата, трябва да потърсиш задната.

Идеята за тази „задна вратичка“ е елегантна и се основава на фундаментален принцип на квантовата теория на полето. Представете си, че Вселената е безграничен океан (квантово поле). Частиците, които наблюдаваме, са само видими вълнички по повърхността му. Но дори и да не можем да видим източника на вълните, неговото присъствие може да се усети. Тежък кораб, преминаващ далеч зад хоризонта, може да изпрати едва забележима вълна към брега.

По същия начин хипотетичните, свръхтежки частици от зептуниверса, недостъпни за пряко наблюдение в LHC, могат да създават „квантови вълни“. Техните полета проникват в пространството и едва забележимо влияят върху поведението на по-леките частици, които познаваме. Нашата задача не е да видим самия „кораб“, а да регистрираме тази пулсация.

Картата на съкровището: великолепната седморка

Но как да различим тази фина пулсация от обикновения шум? Ключът е да се търсят изключително редки събития. Повечето частици се разпадат по много предсказуеми начини. Но има разпади, които Стандартният модел допуска, но ги определя като изключително малко вероятни – едно събитие на милиарди или дори трилиони.

Защо те са толкова важни? Защото при тези редки процеси влиянието на познатата физика е минимално. Това са „спокойните води“, където всяко отклонение от прогнозите, всяка аномална вълна, ще бъде много по-забележима. Това е мястото, където може да се прояви влиянието на „духовете“ от зептуниверса/зептовселената.

Анджей Бурас и колежката му Елена Вентурини съставиха своеобразна „карта на съкровищата“ – списък на седемте най-обещаващи редки разпадания. Те нарекоха тази група „великолепната седморка“. Това са предимно разпади на екзотични частици – В-мезони и каони – които притежават свойството „теоретична чистота“. Изчисленията за тях са по-малко зашумени от силните ефекти на взаимодействието, което прави евентуалните аномалии особено ценни.

Първи почуквания на вратата: Какво показват експериментите?

Търсенето на тази карта вече е в ход и първите резултати са окуражаващи.

• LHCb и Belle II: намеци в разпадите на B- мезоните. Експериментът LHCb в ЦЕРН и Belle II в Япония следят отблизо разпадите на B- мезоните. Засега данните в по-голямата си част съответстват на теорията, но точността на измерванията непрекъснато се подобрява. Наскоро Belle II откри разпад, който е малко по-бърз от предвиденото. Това все още не е откритие, а само интригуващ намек – статистическата грешка все още е твърде голяма. Но е точно това, на което учените се надяват.
• NA62: Най-рядкото разпадане в историята. Най-вълнуващата новина дойде от ЦЕРН, от експеримента NA62. Неговата цел е да регистрира разпадането на каон на пион и две неутрино. Вероятността това събитие да се случи е около 1 на 10 милиарда. Това е най-редкият разпад, наблюдаван някога от хората. И ето я изненадата: измерената скорост е с почти 50% по-висока, отколкото предвижда Стандартният модел!

За да се постигне желаната прецизност, експериментът NA62 изисква определено ниво на чувствителност на сигнала и отхвърляне на фона. А именно: времева синхронизация с висока разделителна способност (за да се поддържа среда с висока скорост), кинематично отхвърляне (включващо отрязване на квадрата на липсващата маса на наблюдаваната заредена частица от разпада спрямо вектора на падащия каон), идентификация на частиците (особено разграничаването на пионите и мюоните), херметично вето на фотоните и излишък на информация

Това все още не е сензация. Статистиката все още е твърде малка, за да се изключи случайността. Но това не е просто пулсация – това е отчетливо почукване на вратата, зад която се крие зептовселената.

Надпревара с времето и бъдещето на физиката

Парадоксът се състои в това, че експериментът NA62, който е достигнал прага на голямо откритие, скоро ще трябва да отстъпи място на друг проект. Неговият наследник, който би могъл да продължи изследванията с по-голяма прецизност, не е одобрен от ЦЕРН. Това е разочароващо за учени като Бурас, които осъзнават, че прозорецът на възможностите не е вечен.

Днес физиката на елементарните частици се намира на кръстопът. Косвените търсения не са просто елегантна научна игра. Резултатите от тези експерименти са от огромно стратегическо значение. Яркото, убедително доказателство, че наистина има нещо отвъд Стандартния модел, ще бъде основният аргумент в полза на изграждането на следващия, още по-мощен колайдер. Без такива „указателни знаци“ ще бъде изключително трудно да се убедят обществеността и правителствата в необходимостта от многомилиардни инвестиции.

По този начин малките експерименти, които изследват почти невъзможни събития, сега са ключът не само към тайните на тъмната материя, но и към бъдещето на цялата фундаментална наука. Те ни водят в неизследвания свят на зептовселената и всеки нов, макар и статистически неубедителен резултат кара сърцата на физиците да бият по-бързо. Вратата все още не е отворена, но вече чуваме, че зад нея има някой.