Обозреватель Натали Волчовер беседует со специалистами по физике элементарных частиц через тринадцать лет после того, как эта область науки вошла в глубокий кризис.
Большой Адронный Коллайдер не обнаружил никаких новых физических явлений. Что же делать дальше?
В июле 2012 года физики Большого Адронного Коллайдера (LHC) в Европе с триумфом объявили об открытии бозона Хиггса, долгожданной частицы — основополагающего элемента субатомного мира. Взаимодействие с полем Хиггса наделяет элементарные частицы инертной массой — благодаря этому они замедляются, объединяются в атомы, а те складываются во всё многообразие материального мира.
Через пару месяцев я устроилась в только что созданный журнал — будущий Quanta — первым штатным репортёром. Так я оказалась в первом ряду разворачивающейся драмы.
Она развернулась не вокруг частицы Хиггса, к моменту её обнаружения на LHC в существовании бозона Хиггса почти никто не сомневался. Частица Хиггса была последним элементом Стандартной модели физики элементарных частиц — набора уравнений 1970-х годов, описывающих 25 известных элементарных частиц и их взаимодействия.
Но куда важнее оказалось то, чего в данных не нашлось.
На строительство 27-километрового суперколлайдера потратили миллиарды евро — не только ради подтверждения Стандартной модели, но и ради выхода за её пределы, обнаружения компонент более полной теории Вселенной. Стандартная модель, например, не включает частицы, которые могли бы составлять тёмную материю. Она не объясняет, почему материя доминирует над антиматерией во Вселенной, или почему вообще произошёл Большой взрыв. Кроме того, существует необъяснимо огромная разница между массой бозона Хиггса (которая определяет физический масштаб атомов) и гораздо более высоким масштабом массы-энергии, связанным с квантовой гравитацией, известным как планковский масштаб. Эта пропасть между масштабами выглядит нестабильной и неестественной. В 1981 году великий теоретик Эдвард Виттен предложил решение этой «проблемы иерархии»: равновесие восстановится благодаря существованию дополнительных элементарных частиц, лишь немного тяжелее бозона Хиггса. Столкновения в Большом Адронном Коллайдере должны были быть достаточно сильными, чтобы породить их.
Но протоны сталкивались в туннеле, обломки разлетались в детекторы — и обнаруживались всё те же 25 частиц Стандартной модели. Ничего нового.
Отсутствие какой-либо «новой физики» — частиц или сил, выходящих за рамки известных — привело к кризису. «Конечно, это разочаровывает, — сказал мне осенью 2012 года специалист по физике элементарных частиц Михаил Шифман. — Мы не боги. Мы не пророки. Без подсказок от экспериментальных данных — как вообще можно что-либо предположить о природе?»
После того как было доказано, что стандартные рассуждения о проблеме иерархии частиц неверны, стало невозможно предсказать, где можно будет обнаружить новые физические явления. Они вполне могли находиться за пределами досягаемости экспериментов. Физик Адам Фальковски тогда предсказал мне, что без способа поиска более тяжёлых частиц эта область будет медленно угасать: «Количество рабочих мест в физике элементарных частиц будет неуклонно сокращаться, и физики, специализирующиеся в этой области, естественным образом вымрут».
Кризис и его последствия обеспечили интересные репортажи в течение многих лет, но, как и следовало ожидать, частота новостных сообщений, связанных с физикой элементарных частиц, снизилась. Я потеряла связь с источниками информации. Спустя более 13 лет, в этой первой колонке для Qualia, новой серии эссе в журнале Quanta Magazine, я подвожу итоги. Умирает ли физика элементарных частиц, как предсказывал Фальковски? Можно ли ещё открыть новые физические явления? Каково будущее специалистов в этой области? Поможет ли искусственный интеллект? Сколько надежды осталось в поисках ответов на многие оставшиеся загадки Вселенной?
Некоторые физики ведут себя так, словно никакого кризиса вообще нет. Большой Адронный Коллайдер всё ещё работает и будет работать как минимум ещё десять лет, а его операторы находят новые источники энтузиазма.
За последние пару лет обработка данных на коллайдере улучшилась благодаря использованию искусственного интеллекта. Системы распознавания закономерностей могут сортировать вылетающие обломки протонных столкновений и классифицировать эти события точнее, чем это могут сделать созданные человеком алгоритмы. Это помогает физикам более точно измерять «амплитуду рассеяния», по сути, вероятность того, что произойдут различные взаимодействия частиц. Например, системы ИИ могут более точно определять, сколько истинных кварков образуется после столкновений по сравнению с количеством прелестных кварков. Любые статистические отклонения от предсказаний Стандартной модели могут указывать на участие неизвестных элементарных частиц.
Новые частицы, такие массивные, как бозон Хиггса, не были бы столь незаметны, они уже проявились бы в виде заметных пиков на графиках данных. Но, как объяснил мне Мэтт Штрасслер, физик из Гарвардского университета, следы более лёгких новых частиц всё ещё могут скрываться в так называемых скрытых долинах данных. «Там огромная неисследованная территория», — сказал он. Например, может существовать нестабильный тип частиц тёмной материи, который оставляет свой след, периодически возникая и немедленно распадаясь на избыточное количество пар мюон-антимюон. Обнаружение такого избытка косвенно указывало бы на существование нестабильной частицы. «Люди, которые думали, что вся новая физика происходит на высоких энергиях, сейчас очень разочарованы», — сказал Штрасслер. «Я не разделяю эту точку зрения. Природа может предоставить множество подсказок на низких энергиях».
Однако пока никаких косвенных доказательств существования новой физики обнаружено не было. Чем точнее становятся статистические данные LHC, тем лучше они соответствуют Стандартной модели. Микеланджело Мангано, физик из CERN, лаборатории, в которой находится LHC, сказал, что сегодня коллайдер подобен инструменту для изучения предсказаний Стандартной модели, и он считает это исследование целесообразным, поскольку не все следствия уравнений легко вычислить. Поиск новой физики за пределами Стандартной модели продолжается, сказал Мангано, но «тот факт, что он не даёт положительных результатов, не означает, что мы застряли или тратим время впустую».
Эти вопросы настолько фундаментальны, что, конечно, стоит точно определить каждую амплитуду и проверить каждую скрытую область, поскольку у нас есть для этого инструмент. Но заканчивается ли на этом игра для охотников за новой физикой?
Научное сообщество хочет большего. Физики CERN хотят построить Будущий Кольцевой Коллайдер (FCC), утроив окружность LHC с помощью 91-километрового туннеля под франко-швейцарской границей, чтобы исследовать более высокие энергии и искать более тонкие сигналы. Этот FCC первоначально будет сталкивать электроны, которые, в отличие от протонов, сами по себе являются элементарными частицами, не имеющими внутренней структуры. Их чистые столкновения позволят проводить более точные измерения амплитуд рассеяния, что сделает FCC сверхчувствительным к косвенным признакам новой физики. К концу века мегаколлайдер будет модернизирован для столкновения протонов, как это делает сейчас LHC. Столкновения протонов более «грязные», но на FCC они достигнут беспрецедентных энергий — примерно в семь раз выше, чем те, которые может обеспечить LHC в настоящее время, — что даёт шанс, пусть и небольшой, обнаружить тяжёлые частицы. (Теоретически, массы частиц могут достигать миллионов миллиардов раз больших, чем те, которые непосредственно могут быть получены на Большом Адронном Коллайдере, поэтому не стоит ожидать их обнаружения в ближайшее время.)
На данный момент судьба FCC неизвестна, страны-участницы примут решение о финансировании не раньше 2028 года.
Тем временем американские специалисты по физике элементарных частиц стремятся дополнить европейскую стратегию, создав совершенно новый тип установки: Мюонный Коллайдер. Мюоны, как и электроны, элементарны, но в 200 раз тяжелее, поэтому их столкновения будут чистыми и сильными (хотя и не достигнут энергии столкновений LHC). И преимуществом, и сложностью этой новой установки является необходимость серьёзных технических инноваций, поскольку мюоны крайне нестабильны. Мюоны необходимо ускорить и столкнуть в течение микросекунд после образования.
Демонстрация технологии и последующее строительство коллайдера займут примерно 30 лет, и это при условии федерального финансирования. «Нам нужно придумать, как это сделать за 10-20 миллиардов долларов», — сказала Мария Спиропулу, профессор физики Калифорнийского технологического института и сопредседатель комитета, подготовившего национальный доклад в поддержку Мюонного Коллайдера, опубликованный в июне 2025 года. В ближайшие годы Департамент энергетики будет решать, финансировать ли это предложение или конкурирующие научные проекты. Его принятие усложняет то, что Мюонный Коллайдер не гарантирует открытия новых частиц или явлений, как это было у LHC с бозоном Хиггса.
Ну и, как заметил в своём блоге математический физик Питер Войт: «Возможно, в новом мировом порядке, где всё будет контролироваться триллионерами из сферы высоких технологий, финансирование не будет проблемой».
Обсуждения по поводу китайского суперколлайдера так и не привели к решению о строительстве. Вместо этого Китай решил заняться созданием «супер-установки по изучению тау-лептонов и очарованных кварков»: эксперимента по рассеянию частиц с более низкой энергией, который обойдётся всего в несколько сотен миллионов долларов, а не в десятки миллиардов. Установка будет производить большое количество тау-лептонов и очарованных кварков, отчасти для изучения того, могут ли тау-лептоны превращаться в мюоны или электроны. Такое превращение не предсказывается Стандартной моделью, но оно происходит в некоторых её теоретических расширениях.
Новая физика отчаянно нужна, и цена китайской программы приемлема. Но стоит ли ставить на случайность — большой вопрос.
Адам Фальковски, который ещё в 2012 году предсказал конец физики элементарных частиц, раньше был известен своими острыми комментариями в блоге Résonaances. Но этот специалист по физике элементарных частиц из Парижа ничего не публиковал с 2022 года. Он сказал, что это отчасти потому, что он был занят отцовством, а отчасти потому, что ему нечего было сказать.
Когда мы созвонились по видеосвязи, Фальковски сказал мне: «Я очень скептически отношусь к будущим коллайдерам. Мне очень трудно испытывать к ним энтузиазм». Он видит, что кампания CERN по созданию FCC набирает обороты, но лично его беспокоят огромные затраты и сроки, а также тот факт, что «нет абсолютно никаких признаков того, что что-то находится в пределах досягаемости следующего коллайдера».
Фальковски, со своей стороны, обратился к теоретическому изучению амплитуд рассеяния — растущей области исследований, сосредоточенной на геометрических закономерностях, лежащих в основе статистики взаимодействия частиц, закономерностях, которые могли бы указать на более истинное понимание квантового мира. Эта область стремится переформулировать уравнения физики частиц на другом математическом языке в надежде, что этот язык может быть распространён на квантовую гравитацию. «Существует очень активная программа по изучению структуры физических теорий», — сказал Фальковски. «Есть надежда, что с помощью машинного обучения в ближайшие годы будет достигнут очень быстрый прогресс. Я думаю, именно здесь можно получить лучшие результаты».
Но амплитудология, как называется эта область, — это абстрактная наука, а не эксперимент по столкновению атомов. Фальковски сказал, что, по его мнению, экспериментальная физика элементарных частиц умирает. Он наблюдал, как талантливые постдоки переходили в другие области исследований или уходили в анализ данных. «Я не уверен, что они получают лучших из лучших, как раньше, — сказал он, — потому что перспективы слишком далеки. Если вы хотите изменить мир сейчас, вы будете заниматься искусственным интеллектом; вы будете делать что-то отличное от физики элементарных частиц».
Похоже, утечка мозгов действительно имеет место. Я поговорила с Джаредом Капланом, соучредителем компании Anthropic, создавшей чат-бота Claude. В прошлый раз, когда мы общались, он был физиком. Будучи аспирантом в Гарварде в 2000-х годах, он работал с известным теоретиком Нимой Аркани-Хамедом над открытием новых направлений в исследованиях амплитуды рассеяния, которые активно ведутся и сегодня. Но Каплан покинул эту область в 2019 году. «Я начал работать над ИИ, потому что мне казалось правдоподобным, что… ИИ будет развиваться быстрее, чем почти любая другая область науки в истории», — сказал он. ИИ станет «самым важным событием, которое произойдёт, пока мы живы, возможно, одним из самых важных событий в истории науки. Поэтому мне показалось очевидным, что я должен работать над этим».
Что касается будущего физики элементарных частиц, то, по мнению Каплана, сейчас беспокоиться об этом практически бессмысленно из-за ИИ. «Я думаю, что наши планы на 10 лет вперёд не имеют особого значения, потому что если через 10 лет мы будем строить коллайдер, то его будет строить ИИ, а не люди. Я бы дал примерно 50% вероятности, что через два-три года теоретических физиков в основном заменит ИИ. Такие блестящие люди, как Нима Аркани-Хамед или Эд Виттен. ИИ будет автономно генерировать научные работы, сопоставимые по качеству с их собственными. … Поэтому планирование на период более нескольких лет — это не то, о чем я много думаю».
Кэри Чезаротти, научный сотрудник теоретической группы в CERN, скептически относится к такому будущему. Она замечает ошибки чат-ботов и то, как они стали слишком большой опорой для студентов-физиков. «Искусственный интеллект ухудшает знания по физике, — сказала она. — Нам нужны люди, которые будут читать учебники, садиться и придумывать новые решения проблемы иерархии».
Чезаротти училась в старших классах школы, когда был открыт бозон Хиггса. Она выросла недалеко от Фермилаба, национальной лаборатории США в Иллинойсе. В ней находится Тэватрон, бывший самым мощным в мире ускорителем частиц, пока не построили Большой Адронный Коллайдер. Именно на Тэватроне в 1995 году был обнаружен истинный кварк. Эта близость научила её тому, что специалист по физике элементарных частиц — это вполне реальная профессия. Позже это стало её призванием. «Из чего на самом деле состоит Вселенная — вот что интересовало меня больше всего», — сказала она мне. «Но люди говорили: “Физика элементарных частиц мертва. Не занимайтесь этим”».
Возможно, это было справедливое предупреждение: Чезаротти до сих пор не получила постоянную работу в качестве перспективного специалиста по физике элементарных частиц. По её словам и словам других, эта область продолжает сокращаться, поскольку университетские комиссии по найму и аспиранты выбирают другие направления. «Безусловно, все эти разговоры о том, что ничего не удалось найти и нужно от этого отказаться, — люди прислушались», — сказала она. «И, конечно, это означает, что людей стало меньше. Это становится самосбывающимся пророчеством. Если вы вытесняете всех этих талантливых людей в области, где легче добиться успеха, то вы обрекаете себя на неудачу».
Чезаротти повторила мысль, которую я слышала от других, и которая мне тоже кажется верной: «Физика элементарных частиц не умерла; она просто сложна». Сложно понять, о чём думать или что искать. Но самые преданные своему делу физики всё равно думают и ищут.
«В течение 125 лет всё было легко, — сказал Штрасслер. — Одно вело к другому. Этот счастливый век, по крайней мере в среднесрочной перспективе, подошёл к концу. Это может измениться завтра, или в следующем столетии, никто не знает».
Теоретически, намёк на новую лёгкую частицу может появиться на Большом Адронном Коллайдере или в каком-либо другом эксперименте. Штрасслер особенно заинтересован изучением распада радиоактивного тория-229, которое может выявить вариации фундаментальных констант. Я же немного больше склоняюсь к экспериментам по поиску «аксионов» — кандидатов в тёмную материю, настолько лёгких, что они могут вести себя немного подобно самому свету.
С теоретической точки зрения, очевидное решение проблемы иерархии может естественным образом вытекать из геометрии, лежащей в основе амплитуд рассеяния. Или, если Каплан прав, системы искусственного интеллекта когда-нибудь смогут предложить новые, мощные идеи о том, как 25 частиц Стандартной модели вписываются в более полную картину — возможность, которую я не предвидела, когда начался кризис.
Очевидно, что дальнейший прогресс в физике элементарных частиц по-прежнему возможен. Но гарантий открытия нет. У меня было более 13 лет, чтобы об этом подумать, и это по-прежнему тревожная перспектива: все эмпирические данные, которые мы можем получить о фундаментальных законах и строительных блоках природы, возможно, уже имеются. Но Вселенная, возможно, планирует сохранить остальные свои секреты в тайне.
Примечания
В Стандартной модели истинно элементарными частицами называют субатомные частицы, лишённые внутренней структуры. К ним относятся двенадцать фермионов, включая шесть кварков (верхний, нижний, очарованный, странный, истинный и прелестный) и шесть лептонов (электрон, мюон, тау-лептон, электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино), и тринадцать бозонов, включая двенадцать калибровочных (векторных) бозонов (восемь типов глюонов, фотон, два типа W-бозона и Z-бозон) и всего один скалярный – бозон Хиггса. У всех этих частиц есть свои античастицы. Всего, таким образом, в настоящее время известно о шестидесяти одной элементарной частице.
Как вы заметили, гипотетический гравитон в Стандартную модель не вошёл.
Автор перевода @arielf
НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:
— 15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS.
Автор: FirstJohn
