"Теория проигрывает эксперименту": новый кризис в физике высоких энергий?

Сегодня теоретическая физика не в состоянии сформулировать ясную картину того, что происходит в природе за пределами так называемой Стандартной модели физики частиц, многократно подтвержденной экспериментами на БАКе и других установках. 

Почему это вызывает беспокойство и близки ли мы к "новой физике", рассказывает Андрей Старинец, известный физик-теоретик, научный сотрудник Центра теоретической физики Оксфордского университета.

В минувшие выходные он выступил с лекцией в рамках московского фестиваля "Наука 0+", проходившем в стенах МГУ. Теоретик рассказал о том, как связаны между собой черные дыры и кварк-глюонная плазма – фаза первичной материи Вселенной, которую сегодня ученые воссоздают, сталкивая тяжелые ионы на мощнейших ускорителях частиц.

— Безусловно, соблазн такой есть, он очень большой. Прежде чем говорить о "примирении" квантовой механики и общей теории относительности, то есть о формулировке квантовой гравитации, давайте затронем вопрос о суперсимметрии.

У физиков были серьезные надежды на то, что Большой адронный коллайдер обнаружит частицы-суперпартнеры при тех энергиях, на которые он был изначально рассчитан, 7-13 ТэВ. Этого не произошло. Конечно, когда мы наберем больше статистики и данных, может оказаться, что суперсимметрия там где-то прячется. 

Но с каждым сезоном работы БАК надежды на это становится все меньше и меньше. С одной стороны, с точки зрения теории, ничего страшного не происходит, так как никто не предсказывал, что суперсимметрия должна существовать именно на этих энергиях. 

Вполне возможно, что она проявляется, скажем, при 20 или при 50 ТэВ. С другой стороны, это говорит об определенной слабости современных теоретических представлений. На предыдущих этапах, например, при создании квантовой хромодинамики и теории электрослабого взаимодействия в 1960-70-е годы, теория довольно четко предсказывала, как, где и что следует искать — к примеру, W или Z-бозоны или тяжелые кварки, или тот же бозон Хиггса, хотя масса последнего теоретически варьировалась в довольно широком интервале.

тсутствие подобной ясности в вопросе суперсимметрии, на мой взгляд, очень ярко характеризует ситуацию в современной теоретической физике высоких энергий. Тот факт, что мы не можем предсказать подобные вещи, говорит о слабости общей теории, о плохом понимании физики за пределами Стандартной модели.

В рамках энергий, описываемых Стандартной моделью, все хорошо, но и здесь очень много работы: нужно постоянно повышать точность экспериментов и точность расчетов, сравнивать одно с другим, искать возможные отклонения от предсказаний. Но в целом пока все измерения совпадают с теоретическими выкладками. 

О судьбе суперсимметрии трудно сейчас сказать что-то определенное. Может быть, ее вообще нет в природе. Может быть, она будет открыта на новом суперколлайдере, который, возможно, построят в Китае. Суперсимметрия важна для теории струн, но наличие суперсимметрии в природе само по себе не означает, что последняя — правильная физическая теория.

У теоретиков есть еще чисто психологические моменты. Люди, которые никогда не изучали суперсимметрию, могут относится к ней скептически, но они же, изучив предмет, с трудом готовы поверить, что природа обходится без такой красоты.

Конечно, на суперсимметрии или на теории струн свет клином не сошелся — ученые разрабатывают и другие подходы к физике за пределами Стандартной модели. Но мне кажется, что в целом состояние отрасли, если иметь в виду теорию, довольно плачевное.

— В чем это проявляется?

— С одной стороны, можно сказать, что в теоретической физике, как и сто лет назад, трудится немало уникально талантливых людей. С другой стороны, несмотря на все усилия, понимания того, как устроен мир на энергиях, превышающих типичные значения для Стандартной модели, у нас по-прежнему нет.

Можно сравнить эту ситуацию с тем, как развивалась фундаментальная физика в 1950-е — 70-е годы: сначала вел эксперимент, все более мощные ускорители постоянно открывали большое число новых частиц, и совершенно непонятно было, как все это описывать и классифицировать. Старые подходы не работали. 

В 1959 году, выступая на конференции по физике высоких энергий в Киеве, Лев Ландау объявил, что прежний, гамильтонов, подход к теории поля умер, и остается лишь организовать ему достойные похороны. Возникли новые методы, в которых было очень много красивой математики, но не так уж много физического содержания.

Но уже через десять лет в рамках старого, уже, казалось бы, похороненного подхода, появилась теория сильных взаимодействий, квантовая хромодинамика, и Стандартная модель, появились соответствующие предсказания, которые затем были блестяще подтверждены в новых экспериментах. Последнее из этих подтверждений – обнаружение хиггсовского бозона, это, так сказать, теоретический привет из шестидесятых.

Сейчас мы опять в теоретическом тупике, поэтому, наверное, неудивительно, что снова процветает жонглирование восхитительными математическими конструкциями. Само по себе это нормально, но вопрос о том, сменится ли эта фаза реальным прогрессом в понимании природы, остается, на мой взгляд, открытым.

Прошлые успехи не гарантируют успеха в будущем. Кроме того, сейчас имеется серьезная объективная трудность: в отличие от 1950-х годов, у нас сейчас не так много экспериментальных данных. Вот если бы БАК или другой ускоритель нашли бы "новую физику", тогда дело бы пошло веселей. 

А так, в основном, мы имеем только косвенные подтверждения, что новая физика есть. По сути, мы сейчас идем за экспериментами – мы строим коллайдер, он, к счастью, находит бозон Хиггса, но не открывает микро-черные дыры или какие-то другие новые и интересные объекты, вроде суперпартнеров.

Теоретики задыхаются от недостатка новых данных и у них, образно говоря, начинаются разнообразные сугубо математические галлюцинации… И это все при том, что острые нерешенные вопросы еще у нас есть. Мне, теоретику, ситуация, в которой теория становится ведомой, совсем не по душе.

— Сможет ли человечество когда-либо выйти на уровень энергий, соответствующих теории великого объединения, и стоит ли это делать, учитывая кризис в теории и их возможную стоимость?

— В данном случае я придерживаюсь оптимистических позиций. Мне кажется, что вопрос "нужно ли идти дальше?" будет серьезно рассматриваться всегда, вне зависимости от состояния экономики и политики. Я верю в то, что тяга к фундаментальному знанию будет существовать до тех пор, пока существует человечество.

Не думаю, что апокалиптическая картина "общества всеобщего потребления", которую нам часто рисуют футуристы, будет воплощена в жизнь до такой степени, что фундаментальная наука станет никому не нужна и ее полностью прекратят финансировать. 

С другой стороны, есть немало примеров саморазрушительной динамики на уровне индивидуумов и сообществ, поэтому гарантий тут нет. Что касается чисто технической стороны, то в последнее время большое внимание уделяется разработке новых принципов ускорения частиц.

Если прогресс в этом направлении будет достигнут, вовсе необязательно строить ускоритель размером с половину континента. В любом случае, пока экспериментаторы ведут в изучении физики частиц, мы будем двигаться в этом направлении.

РИА Новости