Новые закрытия в физике, или Темное остается темным

Этим летом одна девушка как-то говорит: «Приходи ко мне в гости, расскажешь про темную материю».

Ну, я, конечно, сразу начал об этом думать. Лежу этак в ванне и размышляю про суперсимметричные частицы под названием «зИно» и «вИно», и как я буду ей про них рассказывать. Так ничего и не вышло из этого плана. И хорошо, что не вышло: похоже, суперсимметричные частицы тут вообще не у дел.

Но по порядку.

В физике много тайн. Вот, например, одна тайна: массу всей материи на свете проще всего определить по притяжению (ну, как массу бараньей ноги на рынке определяют по притяжению ее Землей). У притяжения много разных эффектов: можно измерить, как галактики притягивают летающий вокруг них хлам, или как вся Вселенная притягивает саму себя и не дает себе разлететься слишком быстро. И в общем цифры все сходятся: получается какое-то общее количество всего на свете, в килограммах. Проблема в том, что непонятно, из чего эти килограммы складываются: того, что мы знаем (суммы всех бараньих окороков, планет, звезд и межзвездной пыли) далеко не достаточно, чтобы дать такую огромную массу. Ага, сказали ученые, кроме обычной материи должна существовать какая-то ТЕМНАЯ материя. Ее должно быть много, и она притягивает другую материю по законам гравитации, но больше никак себя не проявляет и ни с чем не взаимодействует. То есть проходит сквозь нас как нож сквозь масло и свет не заслоняет. Что бы это могло быть? Тайна номер раз.

А вот тайна номер два: материя, которую мы знаем (звезды, планеты и бараньи окорока), состоит из элементарных частиц. Их описывает так называемая Стандартная модель. В ней на самом деле не так легко разобраться, но вот главное: на свете бывают бозоны и фермионы. Фермионы — это примерно то, что мы называем материей: электроны, нейтрино и два типа кварков, и каждой этой штуки бывает три семейства (поколения), и еще они могут быть обычной материей или антиматерией. Бозоны — это примерно то, что мы называем «полями»: фотоны, глюоны и три типа слабых бозонов, ну и Хиггс, конечно, и, наверное, гравитон... А вот почему фермионы бывают именно такие, а бозоны совсем другие, непонятно, хоть режь. Некрасиво, несимметрично.

Когда физики говорят о симметрии, они имеют в виду довольно сложную математику, но глубоко внизу лежит вполне детское представление: если справа есть башенка, то и слева должна быть башенка. Если слева башенки нет, то либо ее еще не достроили (или она сломалась), либо она, к примеру, на заднем фасаде здания, а мы просто не видим всей картины. Ну как-то так они рассуждают, одурманивая при этом себя формулами.

Вот так и со Стандартной моделью: раз она такая несимметричная, подумали физики, значит, мы просто не видим всей картины. Наверняка есть и другие бозоны и фермионы, причем каждому фермиону соответствует бозон, а бозону — фермион. Тогда все башенки и карнизы складываются в волшебный замысел архитектора. Этот замысел, пока не обнаруженный, назвали суперсимметрией. А не видим мы всех этих недостающих суперсимметричных частиц потому, что они очень тяжелые и нам в наших ускорителях не хватает энергии, чтобы их рожать.

А есть ли они во Вселенной? Где бы они могли прятаться? Ну так вот же где: они как раз и могут быть той самой темной материей! Вот как раз если бы бозонам слабого взаимодействия — W-бозону и Z-бозону — соответствовали какие-нибудь тяжеленные фермионищи, они могли бы быть темной материей, ни с чем не взаимодействующей, но тяжелой. Их даже назвали по первым буквам (и по аналогии с «нейтрино») — «вИно» и «зИно». Там еще и «фотино» был, и «нейтралино», но это сейчас неважно.

И вот пару недель назад обнаружилось, что это все как-то не складывается. Прочитать об этом по-английски — если кого-то мое русскоязычное паясничанье только отвлекает от сути — можно здесь. Дело в том, что на Большом адронном коллайдере обнаружили достаточно редкое событие. Они там сталкивают протоны и ядра, и из образовавшегося месива кварков разлетаются разные частицы. Например, там иногда получается такая штука, состоящая из «странного» кварка и «прелестного» антикварка. Она может распадаться на разные частицы, в том числе — очень редко — на пару мюон-антимюон (мюон — это то же, что электрон, но второго семейства-поколения). Именно такие распады и зафиксировали недавно на коллайдере.

Такое событие происходит редко: согласно данным эксперимента, примерно в трех с половиной случаях на миллиард. С другой стороны, вероятность такого события можно подсчитать на основе квантовой механики и Стандартной модели. Расчет требует учитывать все возможные промежуточные события: например, перед тем, как окончательно распасться на такие-то частицы, наша штука может сперва порождать разные пары частиц, которые будут тут же исчезать, и для точного расчета следует учитывать все возможные варианты (к счастью, чем больше таких промежуточных событий, тем обычно меньше их вклад в конечный результат). Но чтобы учесть все варианты, надо точно знать, какие бывают частицы. А каких не бывает никогда.

Ну так вот, расчет на основе Стандартной модели дает для мюонного варианта распада значение «три события на миллиард». То есть: в эксперименте получено три с половиной или чуть меньше, теория дает три. Это значит, что Стандартная модель — нелепая, асимметричная и непонятно откуда взявшаяся — дает значение, с потрясающей точностью соответствующее реальности. А вот если мы украсим Стандартную модель суперсимметрией — добавим к ней недостающие, по нашему мнению, башенки и карнизы, — результат неизбежно будет другим (обычно получается больше): ведь такую чертову уйму новых частиц придется принимать в расчет. Итак, дорогие суперсимметричные частицы вИно и зИно: кажется, пора с вами прощаться, потому что вас нет и никогда не было. Это еще не окончательно, но это уже очень похоже на правду.

Физики-теоретики очень не любят Стандартную модель, за то что она такая нелепая и непонятно почему именно такая. А физики-экспериментаторы не любят теоретиков и обожают Стандартную модель за то, что по ней все можно рассчитать, и еще за то, что они ее понимают, а того, что придумывают теоретики, понять не могут, хоть режь. Вот один из экспериментаторов, участвовавших в описанном эксперименте на коллайдере, радуется в своем блоге тому, как столь желанная теоретикам «новая физика» получила чувствительный удар от физики старой и привычной.

Я лично не понимаю, чему он так радуется. Мы остаемся при своих непонятках. То есть по-прежнему не знаем, что такое темная материя, если никаких других частиц, кроме включенных в Стандартную модель, не существует. Мне, например, будет обидно, если я так и помру, не узнав, как на самом деле все на свете устроено. Суперсимметрию особенно жалко: они уже успели встроить ее в теорию струн, им придется много всего ломать и переделывать, чтобы как-то починить свое научное мировоззрение.

Эйнштейн как-то ляпнул, что самое удивительное во Вселенной — ее познаваемость. Но еще удивительнее будет, если она познаваема ровно до той степени, которая доступна среднему физику-экспериментатору (Стандартная модель), а на более высоких уровнях Всемогущий Творец просто не озаботился прописать скрипт, то есть на повышенные интеллектуальные запросы физиков-теоретиков махнул Своей божественной рукой. Но если Он так и сделал, это будет новым и необычным доказательством Его существования, мне кажется.