Физика элементарных частиц переживает неудачный период: что за этим стоит?

Обозреватель Натали Волчовер беседует с физиками-ядерщиками спустя более десяти лет после того, как эта область науки пережила глубокий кризис. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже

Введение

В июле 2012 года физики Большого адронного коллайдера (БАК) в Европе триумфально объявили об открытии бозона Хиггса, долгожданной основополагающей частицы субатомного мира. Взаимодействие с бозоном Хиггса наделяет другие элементарные частицы массой, заставляя их замедляться настолько, чтобы они могли собираться в атомы, которые затем объединяются, образуя все остальное.

Через пару месяцев я устроился первым штатным репортером в только что созданный научный журнал, который впоследствии стал Quanta. Оказалось, что я начал писать о физике как раз в тот момент, когда разворачивалась вся эта драма.

Вся драма разворачивалась не вокруг частицы Хиггса; к моменту её появления на Большом адронном коллайдере сомнений в её существовании уже почти не оставалось. Частица Хиггса была последним элементом Стандартной модели физики элементарных частиц — набора уравнений 1970-х годов, описывающих 25 известных элементарных частиц и их взаимодействия.

Более поразительным было то, что не удалось выявить с помощью этих данных.

Физики потратили миллиарды евро на строительство 27-километрового суперколлайдера не только для подтверждения Стандартной модели, но и для того, чтобы превзойти её, обнаружив компоненты более полной теории природы. 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 физическими масштабами — атомы намного больше планковского масштаба — кажется нестабильной и неестественной. В 1981 году великий теоретик Эдвард Виттен предложил решение этой «проблемы иерархии»: равновесие будет восстановлено существованием дополнительных элементарных частиц, лишь немного тяжелее бозона Хиггса. Столкновения в Большом адронном коллайдере должны были быть достаточно энергичными, чтобы вызвать их.

Но когда протоны, двигаясь в обоих направлениях по туннелю, столкнулись лоб в лоб, разбрасывая обломки в окружающие детекторы, были обнаружены только 25 частиц Стандартной модели. Ничего другого не было обнаружено.

Отсутствие какой-либо «новой физики» — частиц или сил, выходящих за рамки известных — спровоцировало кризис. «Конечно, это разочаровывает, — сказал мне осенью 2012 года физик-частиц Михаил Шифман. — Мы не боги. Мы не пророки. В отсутствие каких-либо указаний со стороны экспериментальных данных, как 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-частицевед Адам Фальковски тогда предсказал мне, что без способа поиска более тяжелых частиц эта область будет медленно угасать: «Количество рабочих мест в физике элементарных частиц будет неуклонно сокращаться, и физики-частицеведы естественным образом вымрут».

Кризис и его последствия дали начало интересным репортажам на протяжении многих лет, но, как и следовало ожидать, частота новостей, связанных с физикой элементарных частиц, снизилась. Я потерял связь с источниками информации. Спустя более 13 лет, в этой первой колонке для Qualia, новой серии эссе в журнале Quanta Magazine, я подводю итоги. Умирает ли физика элементарных частиц, как предсказывал Фальковски? Можно ли еще открыть новые физические явления? Каково будущее физиков-частиц? Поможет ли искусственный интеллект? Сколько надежды осталось в поисках ответов на многие оставшиеся загадки Вселенной?

Некоторые физики-ядерщики ведут себя так, будто никакого кризиса вообще нет. Большой адронный коллайдер (БАК) 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 образов могут сортировать вылетающие обломки протонных столкновений и классифицировать события столкновений 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 топ-кварков образуется после столкновений по сравнению с количеством бот-кварков. Любые статистические отклонения от предсказаний Стандартной модели могут указывать на участие неизвестных элементарных частиц.

Новые частицы, такие массивные, как бозоны Хиггса, не были бы столь незаметны; они уже проявились бы в виде заметных пиков на графиках данных. Но, как объяснил мне Мэтт Страсслер, физик-частиц 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 Страсслер. «Я не разделяю эту точку зрения. Природа предоставляет множество возможностей для получения подсказок на низких энергиях».

Однако пока никаких косвенных доказательств существования новой физики обнаружено не было. Чем точнее становятся статистические данные на БАК, тем лучше они соответствуют Стандартной модели. Микеланджело Мангано, физик-частиц из ЦЕРН, лаборатории, в которой находится БАК, 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 дает положительных результатов, не означает, что мы застряли, обречены 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 для охотников за новой физикой игра на этом заканчивается?

Научное сообщество хочет большего. Физики ЦЕРН хотят построить будущий кольцевой коллайдер (FCC), утроив окружность БАК 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 субструктуры. 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 БАК. Столкновения протонов более «грязные», но на FCC они достигнут беспрецедентных энергий — примерно в семь раз выше, чем те, которые может обеспечить БАК в настоящее время, — поэтому у них есть шанс, пусть и небольшой, обнаружить тяжелые частицы, недоступные для БАК. (Теоретически, массы частиц могут достигать миллионов миллиардов раз больших, чем те, которые непосредственно могут быть получены на Большом адронном коллайдере, поэтому нет оснований ожидать их появления на следующем повороте.)

На данный момент судьба FCC неизвестна; официальное одобрение и обязательства по финансированию со стороны стран-членов не будут приняты до 2028 года.

Тем временем американские физики-частицы 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 энергичными (хотя и не достигнут энергии столкновений БАК). И преимуществом, и сложностью этой новой установки является необходимость серьезных технических инноваций (со всеми вытекающими отсюда последствиями), поскольку мюоны крайне нестабильны. Их необходимо ускорять и сталкивать всего через микросекунды после их 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 программы мюонного коллайдера, который был опубликован в июне 2025 года. В ближайшие годы Министерство энергетики будет решать, финансировать ли это предложение, а не конкурирующие научные проекты. Его аргументы подрывает отсутствие «гарантии открытия», которая была у БАК с бозоном Хиггса.

С другой стороны, как заметил в своем блоге математический физик Питер Войт: «Возможно, в нашем новом мировом порядке, где все контролируется триллионерами из сферы высоких технологий, финансирование не будет проблемой».

Мне сказали, что обсуждения по поводу китайского суперколлайдера ни к чему не привели. Вместо этого Китай решил заняться созданием «супер-установки для изучения очарованных тау-частиц»: эксперимента по рассеянию частиц с более низкой энергией, который обойдется всего в несколько сотен миллионов долларов, а не в десятки миллиардов. Установка будет производить большое количество тау-частиц и очарованных кварков, отчасти для изучения того, могут ли тау-частицы когда-либо трансформироваться в мюоны или электроны. Такое переключение не предсказывается Стандартной моделью, но оно происходит в некоторых ее теоретических расширениях.

Хорошо, давайте проверим. Нам отчаянно нужны новые законы физики, и цена хорошая. Но по определению очень сложно понять, стоит ли рисковать, полагаясь на случайность.

Адам Фальковски, который еще в 2012 году предсказал конец физики элементарных частиц, раньше был известен своими острыми комментариями в блоге Résonaances. Но этот физик-частиц из Парижа ничего не публиковал с 2022 года. Он сказал, что отчасти это связано с тем, что он был занят отцовством, а отчасти с тем, 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 ЦЕРН по созданию коллайдера 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 распространен на квантовую гравитацию. «Существует очень активная программа по изучению структуры физических теорий», — сказал Фальковски. «Есть надежда, что с помощью машинного обучения в ближайшие годы можно будет добиться очень быстрого прогресса. Я думаю, именно здесь произошли лучшие результаты».

Но амплитудология, как называется эта область, — это абстрактное понятие, это 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 устраивались на работу в сфере анализа данных. «Я не уверен, что они получают лучших из лучших, как раньше, — сказал он, — потому что перспективы отдачи 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 поговорил 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, 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 произойдет, 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 вперед 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, будут достаточно автономно генерировать статьи, которые будут не хуже их собственных. … Поэтому планирование на период более нескольких лет — это не то, о чем я много думаю».

Кэри Чезаротти, научный сотрудник теоретической группы в ЦЕРНе, 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 средней школы, когда был открыт бозон Хиггса. Она выросла недалеко от Фермилаба, национальной лаборатории США в Иллинойсе, где находится Теватрон, самый мощный в мире ускоритель частиц до Большого адронного коллайдера (там в 1995 году был обнаружен топ-кварк). Эта близость научила ее тому, что физик-частиц — это вполне реальная профессия. Позже это стало ее призванием. «Каковы фундаментальные строительные блоки Вселенной — вот на какие вопросы меня больше всего интересовали ответы», — сказала она мне. «Но люди говорили: „Физика частиц мертва. Не занимайтесь этим“».

Возможно, это было справедливое предупреждение; Чезаротти до сих пор не получила постоянную работу в качестве перспективного физика элементарных частиц. По ее словам и словам других, эта область продолжает сокращаться, поскольку приемные комиссии 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 из области, где легче добиться успеха, в область, где на них легче повлиять, то вы обрекаете себя на неудачу».

Чезаротти повторил мысль, которую я слышал 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-частицы всё равно думают и ищут.

«В течение 125 лет все было легко, — сказал Страсслер. — Одно вело к другому. Этот счастливый век, по крайней мере в среднесрочной перспективе, подошел к концу. Это может измениться завтра, или в следующем столетии, или кто знает».

Теоретически, намек на новую легкую 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 в фундаментальных константах. Я же немного больше склоняюсь к экспериментам по поиску «аксионов» — кандидатов в темную материю, настолько легких, 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 предвидел, когда начался кризис.

Очевидно, что дальнейший прогресс в постижении истины 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. Вселенная, возможно, планирует сохранить остальные свои секреты в тайне.

Источник: www.quantamagazine.org