Пятый элемент. Физики обнаружили неведомую силу природы

Пару недель назад по научно-популярным источникам внезапно распространилась весть: венгерский физик профессор Аттила Краснахоркаи якобы открыл новую силу природы — пятое фундаментальное взаимодействие. На самом деле это уже вторая волна новости: первая прокатилась по миру еще в 2016 году, когда в Physics Review Letters вышла первая статья Краснахоркаи на эту тему. В этот раз результат подтвержден на совсем другой экспериментальной модели. 

Ну так что, спросит нетерпеливый читатель, открыто новое взаимодействие или пока все-таки нет? Но на такой прямой вопрос ему вряд ли кто-то ответит. Придется слегка погрузиться в подробности.

Что видели в Венгрии

Когда возбужденное ядро — например, изотоп бериллия — переходит в обычное состояние, оно отдает избыток энергии в виде фотона. Этот фотон, будучи достаточно энергичным, может породить пару из электрона и позитрона, которые разлетятся, а экспериментаторам останется только их поймать, то есть зарегистрировать. Скорее всего, электрон и позитрон полетят вперед, и чем энергичнее был фотон, тем больше вероятность такого разлета (хотя в принципе они могут разлетаться под любыми углами, но с ростом угла число зарегистрированных электронов и позитронов должно плавно спадать). 

Однако в 2015 году Краснахоркаи с коллегами увидели другое: некоторый избыток электронов и позитронов разлетался под углом 140^о. Такое могло бы быть, если время от времени ядро сбрасывает избыток энергии в виде новой, доселе неведомой частицы. Частица эта должны быть «бозоном» (не спрашивайте) — то есть относиться к тому же классу, что и бозон Хиггса, фотон, глюоны и прочие переносчики фундаментальных взаимодействий. 

Зачем венграм из Института ядерных исследований в Дебрецене вздумалось бомбардировать литий протонами, получать возбужденный бериллий и измерять разлет электронов и позитронов? На этот вопрос мы ответим чуть позже. Важно лишь, что они увидели при этом не то, что ожидали. 

Ну и что с того? Если бы каждый раз, когда в какой-то лаборатории на каком-то приборе физики видят что-то странное, они заявляли бы о новой частице и новой фундаментальной силе, человеческое знание пришло бы в полный хаос буквально в течение года. Именно поэтому так важен результат, обнародованный сейчас: Краснахоркаи повторили свой опыт, но теперь уже с ядром гелия. Аномальный угол теперь составлял 115^о, но это по-прежнему соответствовало новому бозону с той же массой 17 МэВ и теми же свойствами.

Кстати, что такое 17 МэВ? Это в 33 раза тяжелее электрона, в 60 раз легче протона и в 7500 раз легче бозона Хиггса. То есть нормальный такой бозон, небольшой, но вполне заметный. Назвали его Х17, хотя, конечно, придумывать имя новой частице слегка преждевременно: для того, чтобы официально заявить о ее открытии, странного угла в 115^о недостаточно. 

Этого, однако, достаточно, чтобы слегка всполошиться: неужели долгожданная «новая физика» внезапно вышла из-за угла?

Как открывают фундаментальные силы

Фундаментальных сил в природе четыре: этому автора учили в вузе в конце 1970-х, и этому же, в общем, учат студентов сегодня. Если существует еще одна, пятая фундаментальная сила, надо серьезно пересмотреть взгляды на жизнь. 

Фундаментальные взаимодействия, о которых мы знали раньше, до недавнего времени в совокупности отлично объясняли природу. Это, во-первых, гравитация, управляющая движением небесных тел и переносимая на бесконечные расстояния безмассовой частицей (доныне неоткрытой) гравитоном. Во-вторых, электромагнитные силы, переносимые такими же безмассовыми фотонами. В-третьих, сильные ядерные силы, удерживающие кварки в протонах и нейтронах, а те — в ядрах; их переносят глюоны, опять же безмассовые. В-четвертых, слабые ядерные силы, переносимые тяжеленными (почти в сто раз тяжелее протона) частицами по имени W- и Z-бозоны.

Повторим еще раз: для объяснения всего-всего в природе этого кое-как хватало. В какой же щелочке мироздания таилась эта самая пятая сила, так что ее до сих пор никто не вывел на чистую воду, пока каким-то физикам не вздумалось измерить углы разлета электрон-позитронных пар? Так вообще бывает?

На самом деле, конечно, так бывало и раньше. Фундаментальные силы, при всей их фундаментальности, было не так уж просто открыть. Это уже потом, когда физики всё объяснили, нам было легко вписать эти силы в свою обывательскую картину мира. Без гравитации, например, Вселенная вообще не могла бы собраться во что-то путное, кроме очень разреженного газа. Из-за электромагнитных сил твердые тела тверды (а жидкие — жидки) и существует свет, то есть опять же весь наш привычный мир критически от них зависит. Благодаря сильным ядерным силам мы имеем массу — то есть нашу нормальную массу, а не раз в сто меньше, как было бы без них. Наконец, без слабого взаимодействия не светило бы Солнце. Что там еще осталось-то важного в нашем привычном обиходе?!

Но вот пока физики не взялись за дело, догадаться о существовании фундаментальных сил было совсем не просто. Та же гравитация: в быту ее легко можно заменить фундаментальным законом «Все падает вниз, Солнце и Луна — исключение». Вне этих пределов гравитационное взаимодействие заметить нелегко: два соседних автомобиля в городском трафике притягивают друг друга с силой около 10 мг. Вы бы почувствовали такой груз на ладони, но с чего бы вдруг кто-то заморочился идти и измерять столь ничтожную силу? 

С остальными не лучше: слабое взаимодействие проявляет себя только в радиоактивном бета-распаде, и если вы не физик, вы скорее всего никогда этот распад не увидите (ну разве только у вас часы с тритиевым напылением на стрелках). Слово «электромагнитный» вообще состоит из двух слов: «электро» — это какие-то фокусы с янтарем, а исконное значение слова «магнетизм» сохранилось у нас в выражени «магнетический взгляд» — под этим когда-то понимали лженаучные фокусы на грани гипноза и телекинеза.

Таким образом, в этом смысле непонятный угол рассеяния в опытах венгров ничем не хуже бета-распада или опытов с эбонитовым стержнем: фундаментальные силы непросто заметить, зато когда их заметят, выясняется, что на них все вокруг держится. 

Ну а с этим-то как? Что в мире может держаться на бозоне Х17, если, согласно современной физике, мир отлично держится и без него?

Зачем нужна новая сила

Когда вместо частиц-переносчиков сильного взаимодействия был открыт мюон (тяжелый близнец электрона), физик-нобелиат Исидор Раби встретил открытие раздраженной репликой: «Ну и кто это заказывал?» Этот вопрос можно отнести и к таинственному бозону Х17, хотя в данном случае ответ, кажется, уже существует. 

Объяснение того, как именно мир держится на четырех фундаментальных силах, физики называют «Стандартной моделью», которая, собственно, описывает материальный мир. Однако в этом описание есть несколько больших дыр, и одна из них — преогромнейшая — называется «темной материей». Этой материи во Вселенной пять раз больше, чем всей остальной обычной материи, однако проявляет себя она только в виде гравитации. «Стандартная модель» о ее природе начисто умалчивает.

Ну хорошо, можно предположить новые неизвестные частицы, которые ни с чем не взаимодействуют и которых в мире видимо-невидимо, но такое объяснение противоречит не только логике теоретиков, но и множеству экспериментальных данных. Вот один пример: однажды астрономы решили взглянуть, как распределена темная материя в одной далекой галактике. Если бы она и впрямь взаимодействовала только гравитационно, ей бы полагалось тащиться этаким облаком за обычной материей, не отвлекаясь на собственные дела. Однако астрономы заметили, что в той галактике темная материя проявляет своеволие: образует отдельный сгусток, вызванный, видимо, взаимодействием с темной материей из другой, пролетающей мимо галактики. А это значит, что кроме «темных частиц» есть и особые «темные силы», с помощью которой частицы темной материи взаимодействуют друг с другом.

Подобные идеи привели теоретиков к идее «темного фотона» — то есть переносчика взаимодействия, которое похоже на электромагнитное, однако заточено именно под темную материю. А поскольку этот темный фотон — опять же по идеям теоретиков — должен был бы примешиваться к обычному, его иногда можно было бы заметить в наших земных физических экспериментах.

Этим, собственно, и занимались профессор Краснахоркаи с коллегами в венгерском Дебрецене. Но вместо темного фотона они нашли кое-что совершенно другое — частицу, которая, судя по всем признакам, взаимодействует вовсе не с электроном и протоном (как обычный фотон и его гипотетический темный близнец), а с электроном и нейтроном.

Собственно, именно поэтому первые заявления венгров об открытии, включая и их статью в престижном журнале, мало кто воспринял всерьез. Отзывы коллег были примерно такие: «Это определенно не первое, что я написал бы в тетради, если бы мне поручили дополнить «Стандартную модель» как мне захочется» (Джесси Талер, теоретик из MIT); «Свойства этого бозона слегка неожиданны, и маловероятно, что это подтвердится» (Рувен Эссиг из университета Stony Brook, Нью-Йорк, источник цитат). Третий аргумент — «Вряд ли разумная физика может родиться в этой дикой постсоветской Венгрии» — никто из политкорректных ученых вслух не произнес. И все же работа рисковала пройти совершенно незамеченной, если бы на нее не обратили внимание физики-теоретики из Калифорнии, которые опубликовали статью о том, что гипотеза венгров о «протофобной» (то есть игнорирующей протоны) силе ничему не противоречит. 

После этого частицу Х17 стали искать всерьез, в том числе и на Большом адронном коллайдере. Тогда, в 2016-м, популярные статьи возлагали на эти опыты большие надежды: если бы бозон открыли на ускорителе, вопрос был бы решен в его пользу. 

Но его не нашли. 

Но венгры не угомонились, и нынешняя новость — тому свидетельство. Есть ли она, эта пятая сила, нет ли ее — пока еще можно спорить (если, конечно, у вас есть для этого необходимый уровень экспертизы). Если она есть, это будет революция в физике и, в частности, прорыв в проблеме темной материи, который и сам по себе — без всякой революции — заслуживал бы нобелевской премии. Если ее нет, эти опыты бесславно уйдут в историю вместе с тысячами других физических опытов, которые где-то когда-то сулили большой прорыв, но в другое время и в другом месте ни у кого не получились. Нам остается следить за развитием событий и учить имя Атиллы Краснахоркаи — может, мы еще его услышим. А если вы хотите в ожидании новых вестей прочитать про это по-английски, это можно сделать здесь.

Автор статьи — научный редактор Forbes (Россия)