Природа любит покер

Графеновый чип с оксидом хрома, экономящий до 5% энергии: красными и зелеными стрелками показаны разнонаправленные токи и спины электронов. Иллюстрация Physorg

На подземном кольцевом ускорителе элементарных частиц CDF (Collider Detector Fermilab) лаборатории Fermilab в пригороде Чикаго проведены сверхточные измерения массы весьма важной для всей физики частицы – так называемого бозона (W). Результаты опытов представил журнал Science, вынеся на обложку букву W, которая очень многое говорит физикам – защитникам и противникам Стандартной модели (СМ), которая вроде бы объяснила, как устроен физический мир и что лежит в его основе. Однако «реформаторы» от физики уверяют, что она не полна и объясняет далеко не все.

А «все» включает еще три взаимодействия – сильное, слабое и гравитационное. Все три были предсказаны теоретиками, в частности теми, кто объяснил бета-распад, при котором из ядра вылетает электрон, а в самом ядре нейтрон превращается в протон. Помимо сдвига на одну клеточку в таблице Менделеева при этом излучается еще и почти безмассовый нейтрон.

Трансмутация нейтрона в протон происходит в результате изменения комбинации кварков, предсказанных американским физиком и нобелевским лауреатом Мари Гелл-Маном. Кварки имеют разный заряд и величину. То же можно сказать и о частицах, например – о протонах и электронах. У последних к тому же есть еще одно квантовое свойство – магнитный момент. Он представляет собой вращение вокруг собственной оси (подобно тому как Земля вращается вокруг своей оси). Свойство получило английское название «спин», и по нему частицы разделили на бозоны и фермионы.

Первые названы по имени индийского физика Шотендроната Бозе, который работал вместе с Альбертом Эйнштейном. Индииц Бозе предсказал существование гравитационных волн. С их помощью удается приблизиться к объяснению механизма всеобщего тяготения, открытого Исааком Ньютоном. В отличие от фермионов, например электронов, имеющих половинный спин 1/2, у бозонов он равен 0 или целочисленный.

Уже в конце ХХ века Питер Хиггс предсказал существование весьма тяжелого бозона, придающего массу частицам (тем же кваркам и «склеивающим» их глюонам). Этот бозон Хиггса долго искали, сталкивая пучки разогнанных протонов в Большом адронном коллайдере (LHC) в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН). В итоге все-таки нашли. Помогло то, что физики отчасти представляли, что и на каких энергетических уровнях надо искать. До того с помощью коллизий тех же адронов были открыты так называемые гужевые (gouge), или калибровочные, бозоны. Они обеспечивают слабое (weak, W) взаимодействие (из-за которого вылетают электроны из ядер). А потом были открыты и так называемые нулевые бозоны.

Итак, к электромагнетизму прибавили сильное и слабое взаимодействия, а затем и гравитационное. В целом четыре силы (как четыре стороны света и масти карт, сердечные камеры и четверохолмие в мозге, а также четыре конечности, хотя есть шестиногие насекомые и восьминогие пауки, четыре буквы генетического кода).

На теватронном коллайдере CDF и смогли уточнить массу «слабого» W-бозона. Букву W журнал Science и вынес на обложку. Дело в том, что повышение точности дало новые основания на расширение пределов Стандартной модели и, возможно, осуществить давнишнюю мечту физиков о соединении эйнштейновской гравитации с квантовой физикой.

Есть и более приземленные задачи. Например, лучше изучить не дающие покоя теоретикам нейтрино-элементарные частицы, предсказанные Этторе Майораном в 1937 году. Существование этих частиц, нейтрино, вытекало из анализа так называемой теории суперсимметрии, согласно которой у каждой частицы должна быть ее античастица. Это может наконец-то объяснить наблюдаемую асимметрию материи и антиматерии во Вселенной.

Соотечественники Майорана поставили недавно в криогенной лаборатории, расположенной в сколе горы Гран-Сассо, что в 11 км от г. Аквила, эксперимент по поиску нейтрино. Эксперименты проводились при температуре 10 милликельвинов (почти абсолютно абсолютный ноль, «минус» 273 градуса по Цельсию). Достоверность полученных результатов 90%. По физическим стандартам мало (массу W-бозона, например, определили с точностью в восемь стандартных отклонений, хотя считается, что и трех достаточно).

Тем не менее итальянцы считают, что их опыт открывает дорогу к прямому обнаружению темной материи и созданию больших квантовых компьютеров. Авторам удалось создать сверхнизкотемпературную криогенную среду, которая будет весьма полезной и для других исследований.