Российские физики получили сигнал из недр протона: В нем зашифрован ответ на самый важный вопрос – откуда взялась Вселенная

Pinned onto Новости

Откуда взялась масса? Не лишняя масса тела на весах (конечно, виноваты весы, а не булочки), и не масса неподъемных пакетов из магазина, а – вообще масса, как таковая? И, если уж на то пошло, как появилась материя, да и вся Вселенная?

Российские физики только что сообщили о прорывных результатах. Они трудились в союзе с иностранными коллегами (международная коллаборация CLAS и теоретики из Китая), на мощных детекторах в лаборатории Джефферсона (США). Пока астрономы в поисках ответов на вечные вопросы вооружаются телескопами, физики, отвечая на те же вопросы, всматриваются в протон – ядро атома водорода, самого распространенного элемента во Вселенной.

О том, что открыли, и что еще не открыли (такого больше), «Комсомолке» рассказал участник исследования, старший научный сотрудник НИИЯФ МГУ Евгений Исупов.

ЧТО ТАМ, ЗА ПОЛЕМ ХИГГСА?

Современная физика дошла до основ. Для Ньютона, да и для Эйнштейна масса просто «была». Тела просто притягиваются друг к другу гравитационными силами, потому что у них есть масса. Так уж распорядилась Природа.

Сегодня такой ответ мало кого устроит. Мы знаем, что любое взаимодействие чем-то да переносится. Так, фотоны переносят свет (а еще радиоволны, рентгеновские лучи, гамма-излучение и много чего еще). Видимо, и у гравитации есть носитель. Иначе что получается: я подвинулся на стуле, и тут же немного повлиял своей гравитацией на туманность Андромеды. Пусть ничтожно, но – быстрее скорости света! Такого ведь не может быть. Я сдвинулся, от меня к туманности Андромеды полетел некий Посыльный, и сделал свое дело через 2 миллиона лет (сообразно расстоянию до туманности).

Допустим, гравитацию переносят гравитоны. Их искали, да пока не нашли. Да и нашли бы. Представим, что вы никогда не видели лампочки накаливания, и рассматриваете только испущенные ею фотоны. Спору нет, кое-что о лампочке вы из фотонов узнаете. Но догадаетесь ли, как она устроена: цоколь, колба, металлическая нить? Конечно, нет.

С гравитонами или без, все равно остался бы без ответа вопрос – масса как таковая, это – что, откуда? Она ведь, как мы знаем из теории относительности – простите за тавтологию, относительна. То есть – не приписана телу как неотъемлемое свойство. Может пропасть, а может появиться. Какими такими процессами?

В 1964 году физик Питер Хиггс предсказал, что есть некое поле, пронзающее все. Колебания этого поля порождают частицы (скорее, частицы – лишь сгустки этого поля). Именно это невидимое поле и создает массу. Всего лишь одна из десятков гипотез… Но в 2012 году бозон Хиггса, или частицу Бога, обнаружили, и общественность успокоилась. Так вот откуда берется масса. Поле Хиггса колеблется. А откуда взялось поле Хиггса? Ну, оставим это на потом.

А зря успокоились.

РАЗГАДКУ ИЩИТЕ ВНУТРИ ПРОТОНА

— Дело в том, что механизм Хиггса порождает массы так называемых токовых кварков, и эта масса составляет около одного-двух процентов массы протона. Возникает вопрос, каким образом протон получает основную часть своей массы. Ответ состоит в том, что эта масса генерируется динамически, то есть из-за сильного взаимодействия кварков. Проблема в том, что такое взаимодействие устроено сложным образом, и чтобы его понять, необходимы усилия многих ученых: экспериментаторов и теоретиков, — говорит Евгений Исупов.

Тут нужны некоторые пояснения. Физики столетиями ищут фундаментальный кирпичик материи. Когда-то им мыслились атомы (по-гречески «неделимые»), потом стало понятно, что атомы еще как делятся (иначе как работают АЭС). Но то, на что они делятся – точно кирпичики? Конечно! Так протоны, нейтроны и прочие электроны назвали «элементарными частицами». Которые – правильно, тоже оказались не элементарными.

Сегодня мы думаем, что элементарные частицы состоят из кварков. А уж те делятся или нет, мы загадывать боимся. Так, протон (еще раз напомню, это ядро атома водорода) состоит из двух u-кварков и одного d-кварка. Что такое эти У и Д, не суть, физики открыли множество видов и свойств разных кварков (что уже намекает на их неэлементарность).

Итак, именно взаимодействие кварков, говорит Евгений Исупов, и порождает массу как таковую. Ну а дальше вы слышали: детали процесса совершенно непонятны. Работа Евгения и его коллег как раз про то, чтобы понять.

ДОСТИЧЬ РЕЗОНАНСА

Физики напоминают мальчишек. Хочет мальчишка узнать, что внутри игрушки, берет молоток, и как жахнет. Так и физики, бьют по элементарным частицам другими, и глядят, что вылетело. Проблема в том, что часто вылетает то, чего там и не было. Другой способ: возбудить частицу, то есть придать ей энергии. И посмотреть, что будет.

Так и в новом исследовании ученые возбуждали протоны, приводя их в состояние нуклонного резонанса. «О, резонанс, как у Теслы» – обрадовались некоторые читатели. Ну, не вполне. Остановимся пока на том, что есть у протона такое состояние, и оно так называется.

Глядя на резонирующий протон, можно догадаться, что у него внутри. Как бы получить из протона сигнал, послание. А разве мы не знаем? Три кварка, только что написали.

— Протон обладает сложной структурой, которую уже около 60 лет экспериментально изучают на разных установках, — говорит Евгений Исупов, — Да, мы знаем из каких кварков состоит протон, и неплохо умеем описывать взаимодействие кварков при больших передачах импульса, а вот при малых, соответствующих большим расстояниям, еще много неизученного. Почему важны нуклонные резонансы? Резонансы обладают разной структурой, существуют радиальные возбуждения, орбитальные возбуждения и так далее. Важно уметь описывать эти состояния. Выше мы сказали, что масса протона и его резонансных состояний генерируется из-за сложного взаимодействия кварков. Исследование резонансов дает доступ к изучению этого взаимодействия.

Я поясню. В физике очень важно пронаблюдать систему во всех состояниях. Скажем, берем лупу, фокусируем солнечный свет, поджигаем спичку. Берем ту же лупу, фокусируем слабый свет, получаем картинку – и лупа уже работает не как зажигательное стекло, а как объектив фотоаппарата. Евгений Исупов говорит о том, что грубо били по протону не раз, а вот слегка, чтобы в резонанс – это новшество, и это важно.

И как же выглядел эксперимент?

Берем пучок электронов (почти как в трубке старого, аналогового телевизора) и пуляем электроны на протоны. Дальше начинается самое интересное.

— Электрон испускает виртуальный фотон, который и взаимодействует с протоном. В результате взаимодействия может родиться резонанс, который очень быстро (10-23 секунды) распадается, например, на пи-мезон и нуклон, которые регистрируются в детекторе, — говорит Евгений Исупов.

Стоп, что это за виртуальный фотон такой (на пи-мезоны и нуклоны не обращайте внимания, это частицы такие, но почему «виртуальный»?)

ОНИ ЕСТЬ, И ИХ НЕТ

Выше мы говорили, что у каждого взаимодействия есть переносчики. И привели простой пример: фотон переносит свет.

Фотон при этом существует физически. Подставьте щеку Солнцу, чувствуете? Но штука в том, что куча взаимодействий протекает с помощью виртуальных частиц. Они как бы есть, потому что есть их воздействие. Но их как бы и нет. Математическая абстракция? Ну, допустим, однако возьмите теорему Пифагора и шлепнете товарища ею по голове. Линейкой можно, книгой с теоремой можно, самой теоремой вряд ли.

Самый яркий пример виртуальной частицы – фонон, то есть квант звука. Распространение звука очень удобно описывать в терминах квантовой механики, а раз так, вот вам и квант. Но физически фонона не существует, иначе звук бы летел через пустое пространство (а что мешает фонону, раз уж он реален, лететь через пустоту?).

— Виртуальный фотон во многом похож на реальный, но есть и отличия, — говорит Евгений Исупов, — Главное из которых – он принципиально не наблюдаем, это, если сказать простыми словами, способ математически описать взаимодействие между заряженными частицами. Если рассеивать электроны на атомах, то виртуальный фотон может перевести электрон на орбиту выше. Переход электрона на орбиту ниже, как правило, сопровождается излучением реального фотона, который можно зарегистрировать.

Словом, сам не наблюдаем, но его действия – еще как.

Нам пока важно понять, что с помощью всех этих хитростей ученые могут судить о том, что внутри протона (иными способами в него не заглянуть никаким микроскопом).

И что же увидели?

КАКОВ ЦВЕТ МИРОЗДАНИЯ

— Мы находимся в самой интенсивной фазе исследований, — говорит Евгений Исупов, — Чтобы специалисты в области теории и феноменологии сильного взаимодействия могли сделать определенные выводы, необходимо дать им почву – провести большое количество измерений. Дело это трудоемкое, так как современные детекторы элементарных частиц — очень сложно устроенные системы.

Но уже сейчас команда исследователей много чего узнала о квантовой хромодинамике. А это что такое?

Вы знаете квантовую механику – кот Шредингера и прочие парадоксы. Многие слышали о квантовой гравитации – там такое творится, что пространство условно, время условно, и вообще, мы живем в Матрице (тем более, что квантовой гравитацией любят заниматься очень странные, простите, креативные физики).

Квантовая хромодинамика – штука менее раскрученная, но еще более крутая. Все понимают, что атомы по какой-то причине сами собой не разлетаются. Атом изнутри держится сильным взаимодействием. Это – фундаментальная сила природы, наряду, например, с электромагнетизмом. Что же переносит эту силу? Глюоны, которых целых восемь видов, и эти виды по какой-то прихоти обозвали «цветами». Не потому, что смотрит физик в микроскоп, вот, красненький полетел. Просто надо же было как-то. «Запах» у кварков на тот момент уже придумали. Конечно, кварки не пахнут, просто некие их свойства назвали «ароматом». Вот, теперь цвета.

И квантовая хромодинамика смотрит в самый корень природы. Несмотря на то, что экспериментально глюоны обнаружили еще в 1979 году (а предсказали раньше), там еще мало что понятно. А без такого понимания – как понять Вселенную? Я сижу на кресле, потому что оно твердое. А твердое оно потому, что атомы не разваливаются. Можно представить себе мир, в котором атомы разваливаются? Легко. Но Природа в момент Большого взрыва (а может, и не в момент?) сделала так, что я сижу на кресле. И вообще существую.

И тут мы медленно-медленно приходим наконец к нашему любимому Большому взрыву, и не менее любимой темной материи, которая, как древний художник Апеллес, все это время пряталась за картиной.

ЕСТЬ ЛИ МИРЫ В ТЕМНОМ МИРЕ?

Прежде, чем сделать финальный рывок, обобщим все, что мы узнали.

Итак, команде физиков, в том числе Евгению Исупову, удалось ввести протон в некое деликатное состояние. В результате протон испустил некий сигнал, который уловили датчики. И этот сигнал может многое сказать о том, что у протона внутри. О том, откуда у вещества берется масса. И что скрепляет атомы в монолит.

Эксперимент прошел блестяще. Теперь дело за теоретиками, затем – статья в рецензируемом журнале, которую перепоют популяризаторы, в общем, медийный движ. А мы пришли накануне движа. Сигнал есть, интерпретации пока нет. Но что мы в принципе надеемся узнать?

Конечно, про темную материю. Существует ли она? Все-таки именно темная материя составляет львиную долю массы Вселенной.

— Из чего состоит темная материя? Здесь больше вопросов чем ответов, — признается Евгений Исупов, — Ученые проводят экспериментальные поиски частиц такой материи, но эти частицы взаимодействуют с обычным веществом очень слабо и пока остаются неуловимыми.

Но что представляет собой темная материя? Это просто частицы какие-то, или есть планеты из темной материи, деревья, машины, люди?

— Что касается «миров», то лично я думаю, что для появления сложно структурированных систем нужен аналог электромагнитного взаимодействия, которое в нашем мире необходимо для существования химических связей, — говорит Евгений Исупов.

То есть – нет.

Как нет пока и мостика между нашим и темным миром (а то многие ведь думают, что именно из темной материи состоят призраки, и мы видим во сне себя в «темном мире»):

— Мостики, может быть, и есть, только сначала надо зарегистрировать частицы темной материи, а этого пока не удается, — говорит Евгений Исупов (и вряд ли под «мостиком» разумеет призраков).

Вот такой мир открывают физики. В свое время Даниил Данин написал книгу «Неизбежность странного мира», а позже Виктор Комаров выпустил брошюру «Неизбежность все более странного мира». И то было в 1960-1970-е, когда мир не был таким уж странным. А что сейчас? А сейчас физики действительно касаются края бездны. Всматривается ли бездна в физиков? Возможно, но, главное, что они всматриваются в нее.

КСТАТИ

А что, если Больших взрывов было два?

Открытия в области микромира постоянно ставят под удар классическую картину происхождения Вселенной – тот самый Большой взрыв. Да и то: концепция оформилась к середине ХХ века, когда многого не знали, пора и обновить. Простор для научного поиска большой, говорит Евгений Исупов:

— Например, недавно появилась идея, что существовал также второй — темный Большой взрыв, в результате которого образовалась темная материя. Я думаю, в этой области нас еще ждут большие открытия.

ВОПРОС-РЕБРОМ

Можно ли получить энергию из вакуума?

Элементарные частицы в вакууме, да и сам вакуум, прямо-таки кишат энергиями. Только что-то газ, нефть и ветер с Солнцем не теряют актуальности. Атомные станции научились строить давно. Неужели нет способов извлечь мощь из пустоты?

— Человечество, к сожалению, пока не может извлекать мирную энергию из термоядерных реакций, подобно АЭС, где энергия возникает вследствие деления ядер. Что касается вакуума, то его структура еще не понята детально, это особенно касается вакуума сильно взаимодействующих частиц, где происходят большие флуктуации глюонных (глюон, напомним – переносчик сильного взаимодействия на фундаментальном уровне) полей, — говорит Евгений Исупов.