В поисках частицы Бога, или Охота на бозон Хиггса - Иэн Сэмпл

Но и тогда, убеждают нас ученые, нам нечего бояться. В 1975 году кембриджский космолог Стивен Хокинг показал, что черные дыры испускают тепло. Чем меньше их размер, тем больше тепла они теряют. Согласно теории, которая допускает дополнительные измерения, черные дыры, созданные на БАКе, будут космическими крошками диаметром около 10-15 миллиметров. При таком размере они будут экстремально горячие — примерно в миллиард раз горячее, чем вещество в центре Солнца. Хорошая новость заключается в том, что эти черные дыры будут терять тепло так быстро, что в мгновение ока испарятся.

Другой сценарий потенциальной катастрофы, который, впрочем, физики легко опровергли, — создание на ускорителе магнитных монополей. По оценкам Алана Гута, эти поистине странные частицы слишком тяжелы, чтобы их можно было создать даже в самом мощном ускорителе. Самой тяжелой из когда-либо рожденных на коллайдере частиц был обнаруженный в 1995 году на “Теватроне” истинный кварк — он весит около 170 ГэВ. Магнитные монополи, если они существуют, скорее всего, тяжелее более чем в триллион раз.

Ради интереса Комиссия по безопасности ЦЕРНа проанализировала, какой ущерб магнитный монополь мог бы нанести, появись он в их ускорителе. В некоторых теориях утверждается, что магнитные монополи опасны тем, что они преобразуют протоны и нейтроны в электроны, позитроны и другие частицы — по существу, испаряют обычную материю. Однако группа ЦЕРНа подсчитала, что магнитный монополь успеет уничтожить лишь полграмма обычной материи до того, как освободившаяся при этом энергия утащит его в космос.

Во всех этих сценариях Судного дня молчаливо предполагается, что, какой бы из них ни реализовался, ничего хуже себе представить нельзя. Конечно, это верно для людей и миллионов видов живых существ, которые живут рядом с нами на Земле. Но в четвертом сценарии Судного дня ученым пришлось рассмотреть еще более трагичный сценарий, чем разрушение нашей планеты и гибель всех ее обитателей. Речь идет о вакуумном распаде, не оставляющем никакой надежды на возникновение жизни в огромных областях пространства!

Для ученого середины XVII века вакуум — это то, что получается, если приделать один из только что изобретенных тогда насосов к стеклянному сосуду и напрячь весь свой интеллект, чтобы заставить эту чертову штуку работать. Проявив упорство, естествоиспытатель мог удалить весь воздух и получить по-настоящему пустой сосуд — контейнер, полный абсолютного ничто.

Для современных ученых вакуум далеко не пуст. Он содержит множество невидимых мощных полей и связанных с ними частиц, которые постоянно появляются и умирают. В этих полях запасена энергия, которую называют энергией космического вакуума Вселенной.

Наиболее стабильное состояние Вселенной — такое, в котором она обладает минимумом энергии. Проблема в том, что ученые не знают, находится ли наша Вселенная в самом устойчивом состоянии или нет. Допустим, энергия вакуума не минимальна, тогда при некотором воздействии он может неожиданно приобрести более стабильную конфигурацию с меньшей энергией.

Вы можете наблюдать аналогичный процесс в реальности, не выходя из вашей гостиной. Когда вы гордо устанавливаете фотографию своей улыбающейся тещи (свекрови) на каминной полке, она (фотография) приобретает определенную потенциальную энергию. Гравитация спит и видит, как бы уменьшить эту энергию, сбросив фотографию вниз в камин. Все, что нужно для этого, — случайное дуновение или слабый толчок, и портрет обожаемой родственницы будет выведен из состояния равновесия и слетит с полки.

Если Вселенная находится в таком же шатком положении — а это страшно важное “если”, — энергичный толчок, при стечении определенных обстоятельств, сбросит ее с “космической каминной полки” вниз, в более стабильное состояние. Ученые из Брукхейвенской лаборатории и ЦЕРНа задались вопросом, может ли энергия, выделенная в коллайдере, например, RHIC или LHC, придать Вселенной подобный толчок? Если бы это произошло, последствия были бы чрезвычайно печальные.

Физик из Гарварда Сидни Коулман умел облекать свои мысли в яркие вербальные образы. Это именно он предложил коллегам порвать в клочья Питера Хиггса с его грандиозной идеей бозонов Хиггса на следующий день после того, как тот выступил на семинаре в Институте перспективных исследований в Принстоне в 1966 году. Коулмана очень заинтриговала перспектива существования человечества в метастабильной Вселенной, которая прекрасно функционирует до какого-то момента, но при хороших (скорее плохих) обстоятельствах может упасть в состояние с меньшей энергией.

Коулман представил, что произойдет, если в некотором уголке Вселенной энергия вакуума по той или иной причине внезапно “упадет с камина” — то есть там произойдет переход из состояния, которое только казалось устойчивым, в гораздо более стабильное. Расчеты показали, что возникший пузырь “истинного вакуума” будет расти с поразительной быстротой. Граница между ним и “ложным” вакуумом старой Вселенной будет двигаться со скоростью света!

Энергия вакуума является основой, на которой строятся законы природы. Если бы она вдруг уменьшилась, законы физики мгновенно изменились бы. Не только мы бы погибли, но и все другие живые существа на Земле. Но Коулман обнаружил и кое-что еще более ужасное. Наш старый мир заменит новая, более стабильная версия, и в этом новом мире уже не будет места для жизни.

Содержание своей одиннадцатистраничной статьи147, опубликованной в 1980 году, Коулман кратко сформулировал в безусловно одном из самых поразительных абзацев, когда-либо появлявшихся в научной литературе: “Вероятность того, что мы живем в ложном вакууме, всегда была невеселой темой для размышления. Вакуумный распад явился бы завершающей экологической катастрофой; в новом вакууме возникли бы новые фундаментальные константы; после вакуумного распада не только жизнь в том виде, какой мы знаем, была бы невозможной, но также не существовала бы и знакомая нам химия. Однако ранее мы находили некое утешение в духе стоицизма; кто знает, вдруг в новом вакууме возникнут со временем если не жизнь, как мы ее представляем, то, по крайней мере, некоторые структуры, способные познать удовольствие. Однако в последнее время стало ясно — это абсолютно нереально”.

Через пару лет после публикации сногсшибательной статьи Коулмана Вильчек с коллегой Майклом Тернером попытались выяснить, находится ли наша Вселенная в самом низком энергетическом состоянии. В статье, появившейся в журнале “Nature”, они писали; “...есть небольшая вероятность того, что наш теперешний вакуум находится в метастабильном состоянии, и тем не менее Вселенная долгое время могла предпочесть именно такое подвешенное состояние. В этом случае пузырь “истинного” вакуума может зародиться где-то внутри Вселенной и без предупреждения двинуться наружу со скоростью света”148.

Так как ничто не распространяется быстрее, чем свет, мы не узнаем заранее, что нас ждет космическая катастрофа. “Вы ничего не заметите. Просто исчезнете, — говорит Вильчек. — Мы все превратимся в розовый туман”.

Пусть мы никогда не узнаем, что нас убьет, но трудно подавить в себе болезненный интерес к тому, как это может произойти, и не попытаться представить, что физически случилось бы с нами и со всем вокруг нас. Одна из возможностей заключается в том, что при появлении этого страшного “нового” вакуума сильное взаимодействие, связывающее частицы друг с другом внутри атомных ядер, вдруг станет более короткодействующим — как это случается с W- и Z-бозонами при включении поля Хиггса, и тогда атомы внутри всего сущего спонтанно распадутся на части. Просто рассыплются.

Несомненно, в этой ситуации требовалось хоть какое-то утешение, и оно появилось — в следующем году, в виде заметки Мартина Риса (который позже стал королевским астрономом Британии и президентом Королевского общества) и Пита Хата, физика из Института перспективных исследований в Принстоне. И опять пример космических лучей сослужил добрую службу, избавив человечество от эсхатологических страхов149.

Хат и Рис, подчеркнув, что Вселенная отлично выживала с нынешним вакуумом почти 14 миллиардов лет, сделали вывод: для того чтобы произошел распад вакуума, люди должны сделать что-то более ужасное, чем то, что происходило во Вселенной за все время ее существования.

Самые энергичные столкновения частиц на Земле случаются, когда ионы космических лучей сталкиваются с ионами верхних слоев атмосферы. Авторы подсчитали, что в нашей атмосфере каждую секунду происходит около 100 миллионов столкновений с выделением большей энергии, чем в любом современном коллайдере.

Итак, говорили Хат и Рис, Вселенная не настолько хрупкая, чтобы ее можно было бы уничтожить земными коллайдерами частиц. По крайней мере, теперешними коллайдерами. Когда и если они станут в 100 раз мощнее, вопрос снова будет стоять в повестке дня, но пока мы в безопасности. “Мы можем быть абсолютно уверены, что ускорители частиц в обозримом будущем не будут представлять никакой угрозы для нашего вакуума”, — написали ученые в журнале “Nature”. Фраза вселяет оптимизм, хотя так и представляешь себе протестующих, которые лет через двадцать соберутся у ворот ЦЕРНа и будут размахивать плакатами с нацарапанными на них надписями типа: “Руки прочь от нашего вакуума!”