нидерландского специалиста по ускорителям Симона ван дер Меера с помощью гораздо меньшего ускорителя – так называемого Протонного суперсинхротрона – обнаружила W– и Z-бозоны. Это массивные элементарные частицы – переносчики слабого взаимодействия. Позднее, в 2012 году, в результате анализа данных двух крупнейших детекторов кольца БАК – ATLAS и CMS – был обнаружен неуловимый бозон Хиггса – частица, которая отвечает за наличие массы у некоторых других частиц. (ATLAS – это сокращение от A Toroidal LHC ApparatuS («Тороидальный аппарат БАК»), а CMS расшифровывается как Compact Muon Solenoid («Компактный мюонный соленоид».) В последующие годы благодаря проводимым в ЦЕРНе экспериментам были обнаружены свидетельства существования новых и экзотических адронов – частиц, состоящих из двух, трех или даже четырех или пяти кварков.

Большой адронный коллайдер Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН), расположенный в туннеле вблизи Женевы (Швейцария), представляет собой 27-километровое кольцо

Электрослабые бозоны, частица Хиггса и даже тетракварки – все это части успешной Стандартной модели физики элементарных частиц наряду, в частности, с каонами, пионами, очарованными кси-плюс-гиперонами и омега-минус-гиперонами. Конечно, мы обычно с ними не сталкиваемся, в конце концов, наш материальный мир состоит только из протонов, нейтронов и электронов. Но эти незнакомцы – все из того же «зверинца» элементарных частиц. Просто большинство их живут очень недолго – за ничтожную долю секунды они распадаются на более привычные частицы. Но в условиях достаточно большой энергии, как в случае столкновения быстро движущихся протонов, экзотические частицы порождаются в таком количестве, что оставляют след в огромных детекторах, размещенных вокруг мест столкновения протонов.

Отсюда вопрос: если частицы темной материи действительно существуют, то могут ли они порождаться в Большом адронном коллайдере? Ответ в принципе положительный – они должны порождаться либо непосредственно из энергии двух сталкивающихся протонов, либо опосредованно, как продукт распада какой-нибудь промежуточной частицы.

К сожалению, мы пока еще не имеем ни малейшего представления о том, насколько часто при столкновениях протонов могут порождаться частицы темной материи, не говоря уже об их массе, так что никто не знает, чего нам ожидать. К тому же частицы темной материи вряд ли сами по себе распадаются на другие элементарные частицы: если они не были исходно устойчивыми, то в них не может быть сосредоточена бо`льшая часть массы Вселенной! А поскольку частицы темной материи практически не взаимодействуют с «обычным» веществом, их почти невозможно обнаружить. По сути, единственный способ состоит в очень тщательном изучении результатов столкновений протонов в БАКе – в том числе и предсказываемое количество вновь порожденных нейтронов, которые также не регистрируются детекторами. Если измеренная энергия или момент импульса не сходятся с предсказанными значениями, то мы, скорее всего, что-то упустили и это что-то вполне может оказаться темной материей.

Пока что детекторы вроде ATLAS и CMS не смогли обнаружить никаких убедительных проявлений темной материи. Но специалисты по физике элементарных частиц так легко не отступятся, и в случае темной материи, по их мнению, есть все основания продолжать поиски. Потому что обнаружение слабовзаимодействующих массивных частиц («вимпов» – WIMP – физики обожают всякие сокращения) не только может стать ключом к решению загадки темной материи, но, возможно, также позволит выйти за пределы Стандартной модели к новой захватывающей физике. В частности, существование вимпов может стать своего рода проверкой популярной физической концепции под названием «суперсимметрия»3.

Я уже кратко упоминал суперсимметрию в предыдущей главе, и у вас может возникнуть вопрос, зачем физики хотят расширить Стандартную модель, если она настолько полная и успешная. Но теория суперсимметрии была впервые предложена в 1971 году, когда термина «Стандартная модель» еще не было и в помине. Всеобъемлющая теория элементарных частиц и фундаментальных взаимодействий стала общепринятой только в 1983 году, когда были открыты W– и Z-бозоны, которые оказались в точности такими, как предсказывала Стандартная модель. И даже после того, как Стандартная модель вошла в физический обиход, ученые осознавали, что имеющееся математическое описание физического мира никак нельзя считать окончательным. В конце концов, Стандартная модель не учитывает ни темную материю, ни наличие у нейтрино очень малой массы, при том что, согласно теории, их масса должна равняться нулю. Это всего лишь две из самых актуальных проблем.

Концепцию суперсимметрии (которую иногда называют «СЬЮЗИ» (SUSY)) в первой половине 1970-х годов практически независимо друг от друга предложили четыре группы, каждая из которых состояла из двух физиков4. Все эти ученые задумались над странным обстоятельством: элементарные частицы четко делятся на два типа – фермионы (частицы материи, то есть кварки, электроны и нейтрино) и бозоны (частицы-переносчики взаимодействий). А что, если в природе есть некая глобальная симметрия, которая бы объединила оба типа частиц в рамках единого описания? Тогда фермионы и бозоны оказались бы просто двумя сторонами одной и той же суперсимметричной монеты. Каждому известному фермиону соответствовал бы некий бозон, и наоборот.

Для тех, кто не занимается физикой элементарных частиц, все это выглядит сильно притянутым за уши. Но именно так часто бывает в физике – ученые ищут закономерности, придумывают некий общий принцип, который может лежать в их основе, и затем исходя из полученной теории предсказывают новые объекты и явления. Таким образом Дмитрий Менделеев в 1869 году пришел к своей идее периодической таблицы. Он смог предсказать существование ранее неизвестных химических элементов задолго до того, как ученые стали приходить к пониманию устройства атомов. И таким же образом появилась квантовая хромодинамика – теория сильного ядерного взаимодействия: американский физик Мюррей Гелл-Манн и аспирант Джордж Цвейг обнаружили в свойствах элементарных частиц многообещающую математическую закономерность, что привело их к гипотезе существования кварков. Спустя четыре года – в 1968-м – эта гипотеза была подтверждена экспериментально.

Замечательная особенность SUSY состоит в том, что эта теория не только естественным образом связывает фермионы с бозонами, но также позволяет решить ряд проблем в физике элементарных частиц. Но моя книга не о физике элементарных частиц и тем более не о суперсимметрии, так что обойдемся без излишних подробностей. За исключением одного момента – суперсимметрия открывает дорогу к великой единой теории поля. Как показали в 1960-х годах Шелдон Глэшоу, Абдус Салам и Стивен Вайнберг, электромагнитное и слабое ядерное взаимодействие могут быть описаны в рамках единой теории. Но сильное ядерное взаимодействие не вписывалось в эту конструкцию. А вот SUSY как раз дает нам в руки инструмент, позволяющий описать все эти силы в рамках единой теории поля. К тому же SUSY – необходимый ингредиент теории струн – многообещающей, хотя и весьма умозрительной и гипотетической