Защо физиката на елементарните частици е в застой след откритието на Хигс бозона?

През юли 2012 година физиците от Големия адронен колайдер (LHC) в ЦЕРН обявиха откриването на Хигс бозона. Това беше липсващото парче от Стандартния модел – теорията, която описва 25-те известни елементарни частици и техните взаимодействия. Полето на Хигс обяснява откъде частиците получават своята маса. Без него електроните, кварките и другите основни градивни елементи на материята нямаше да могат да се забавят, да се комбинират в атоми и да образуват познатия ни свят.

Самото откритие не беше изненада. По времето, когато LHC стартира, повечето физици вече бяха убедени, че Хигс бозонът съществува. Много по-важно се оказа друго: в данните от колайдера не се появи нищо повече от това.

Големият адронен колайдер не беше построен само за да потвърди Стандартния модел. От него се очакваше да излезе извън неговите граници. В теорията има твърде много бели петна. Тя не обяснява какво представлява тъмната материя. Тя не обяснява защо във Вселената почти няма антиматерия. Тя не ни казва защо изобщо се е случил Големият взрив. Съществува и т.нар. проблем с йерархията: масата на Хигс бозона определя мащаба на атомния свят, но има съвсем различен фундаментален мащаб, свързан с квантовата гравитация и т.нар. планкова енергия. Пропастта между тези мащаби изглежда физически странна и нестабилна. Още през 1981 година Едуард Уитън предлага идеята, че този дисбаланс може да бъде компенсиран чрез съществуването на нови частици, малко по-тежки от Хигс бозона. Енергията на LHC трябваше да бъде достатъчна, за да бъдат открити.

Но при сблъсъците на протони детекторите отново и отново регистрираха само частици от Стандартния модел. Нищо ново. Нито допълнителни полета, нито екзотични частици, нито нови сили. Отсъствието на „нова физика“ е болезнен момент за цялата област. Когато обичайните теоретични насоки престанаха да работят, стана неясно къде изобщо да се търси следващата стъпка. Тогава някои изследователи открито заявиха, че фундаменталната физика на елементарните частици може да започне бавно да отмира като научна област, просто защото няма експерименти, способни да предоставят нови данни.

Минаха години и наистина има все по-малко новини от тази област, но колайдерът продължава да работи, а физиците разполагат с нови инструменти. През последните няколко години алгоритмите за машинно обучение започнаха да се използват интензивно при обработката на данни. Системите за разпознаване на образи сортират „отломките“ от протонните сблъсъци по-добре от класическите програми и класифицират събитията по-точно. Това дава възможност за по-точно измерване на вероятностите за различни взаимодействия между частиците. Така например може по-точно да се разграничат случаите на раждане на топ-кварк от процесите с b-кварки. Всяко статистическо отклонение от изчисленията на Стандартния модел би подсказало за наличието на неизвестни частици, макар и косвено.

Големите нови частици, сравними по маса с Хигс бозона отдавна щяха да се появят като очевидни „пикове“ в данните, но физиците не изключват, че леки и нестабилни частици може да се крият в статистически пропуски и редки аномалии. Теоретично например би могло да съществува нестабилна частица на тъмната материя, която от време на време се разпада на двойки мюони и антимюони. Необичайният излишък от такива събития би могъл да бъде косвен признак за нейното съществуване. Засега по-прецизните измервания само потвърждават изчисленията на Стандартния модел.

В ЦЕРН все по-често казват, че сегашният колайдер може да се разглежда като инструмент за фина настройка на самата теория. Много от нейните следствия е трудно да бъдат изчислени аналитично, а значението на експерименталната проверка не отпада никъде. Търсенето на физика отвъд стандартния модел формално продължава, но засега без резултат.

Поради това общността отново се насочва към големи проекти. В ЦЕРН се обсъжда изграждането на бъдещия кръгов колайдер (Future Circular Collider) – нов колайдер с тунел с дължина около 91 километра под френско-швейцарската граница. Първоначално учените планират да сблъскват електрони там, за да получат по-чисти данни и възможно най-точни измервания. По-късно съоръжението може да бъде модернизирано за сблъсъци на протони, които вече са с енергии около 7 пъти по-високи от сегашните възможности на LHC. Това ще даде възможност, макар и малка, да се видят тежки частици, които са недостъпни за сегашния колайдер. Решенията за финансиране на проекта се очакват едва през 2028 година.

В САЩ се обсъжда алтернативна посока на действие. Става дума за мюонния колайдер. Мюоните, както и електроните, са елементарни частици, но са 200 пъти по-тежки. Проблемът е, че мюоните са изключително нестабилни и се разпадат за микросекунди, така че трябва да бъдат създадени, ускорени и сблъскани почти мигновено. Осъществяването на подобен проект ще отнеме десетилетия и ще изисква милиарди долари инвестиции, без гаранция за откриване на нова физика.

Успоредно с това Китай се отказа от идеята за гигантски суперколайдер и се фокусира върху по-малко съоръжение, т.нар. „tau-charm“ комплекс. Той ще изследва частиците тау и charm-кварките (очарованите кварки), включително ще проверява дали тау-лептоните могат да се трансформират в мюони или електрони. Такива преходи не се предвиждат от Стандартния модел, но се допускат в неговите разширения.

На фона на всички тези проекти се наблюдава вътрешна промяна в самата общност на физиката. Някои теоретици навлизат в по-абстрактни области, свързани с математическия анализ на вероятностите за взаимодействие между частиците и геометричната структура на физичните теории. Други се насочват към изкуствения интелект и анализа на данни, като смятат, че именно там сега по-бързо се появяват нови фундаментални резултати. Много млади учени се насочват към сродни области или индустрии, където е по-лесно да се получат бързи резултати и финансиране.

В същото време в общността все по-често се чува една проста формула: физиката на елементарните частици не е мъртва, тя се е усложнила. Няма очевидни посоки на търсене, няма ясни насоки, няма гарантирани открития. Но остават въпросите за фундаменталните закони на природата, за структурата на материята, за произхода на масите, пространството и времето. Изследванията продължават, макар че сега приличат повече на търсене на пътеки в мъглата, отколкото на уверено движение по пътя.

Физиците продължават да проверяват данните, да изграждат нови съоръжения, да търсят аномалии, да развиват теорията и експеримента. Само че сега никой не може да каже къде точно ще се появи следващата следа. Може би тя ще дойде от нов колайдер. Може би от разпад на рядка частица. Може би идея от теоретичната математика, а може би Вселената наистина вече е показала всичко, което е готова да покаже в експериментите и по-нататъшните отговори ще трябва да бъдат намерени по други начини.