Вакуум в конце туннеля: обзор исследований в области элементарных частиц

Что будет, если Вселенная потеряет стабильность? Хорошо ли атомы получаются на фото? Смотрятся ли аксионы в зеркало? В чем перевозить антипротоны? Эти вопросы очень волнуют исследователей элементарных частиц. Удалось ли им найти ответы — ​узнаете из нашего обзора.

Карточный домик реальности

Полвека назад американский физик-теоретик Сидни Коулман предположил, что Вселенная не так уж и стабильна, а реальность и вовсе ложна. На кончике пера было показано, что Вселенная после Большого взрыва зависла в метастабильном состоянии, но в любой момент может туннелировать в состояние истинного вакуума, и тогда ткань реальности мгновенно и кардинально изменится. Заметим мы это или нет — ​вопрос вопросов. Может, мы воспримем новую реальность как реальность, которая была всегда. Может, полистав старые учебники, задумаемся, куда делся закон сохранения энергии и почему Е теперь не mc2. А может, и задумываться станет некому.

Ученые успокаивают: туннелирование крайне маловероятно, в состоянии метастабильности Вселенная вполне еще может провисеть от 1058 до 10241 лет. И хотя ныне покойный Стивен Хокинг пугал, что эксперименты с бозоном Хиггса на Большом адронном коллайдере спровоцируют переход Вселенной из ложного вакуума в истинный, слава богу, все обошлось. На этот раз…

Теперь же команда ученых из Германии, Словении и Великобритании решила посмотреть, как это вообще может выглядеть. В журнале Nature Physics они рассказали, что смоделировали процесс образования пузырьков истинного вакуума в пространстве вакуума ложного. «Мы говорим о процессе, в ходе которого Вселенная полностью изменит свою структуру, — ​пишет ведущий автор статьи Златко Папич, профессор теоретической физики Школы физики и астрономии в Лидсе. — ​Фундаментальные константы могут мгновенно измениться, и мир, каким мы его знаем, рухнет как карточный домик. Что нам действительно нужно, так это контролируемые эксперименты для наблюдения за этим процессом и определения его временных масштабов». Перевожу: «На сам процесс мы никак повлиять не можем, но можем понаблюдать за ним». К слову, в преамбуле статьи говорится о ранних работах на тему туннелирования Вселенной. В них изучалась возможность прямого создания новых вселенных в лабораторных условиях.

Атомы в облаках

В Массачусетском технологическом институте сфотографировали отдельные атомы! Впервые в истории получены прямые изображения атомов, свободно взаимодействующих друг с другом в пространстве, что позволило увидеть управляющие их поведением квантовые эффекты. Уникальная техника на короткое время удерживала атомы на месте с помощью световой решетки, а исследователи поймали взаимодействие бозонов и фермионов.

Статья в журнале Physical Review Letters описывает метод уникальной съемки. Сначала формируется облако атомов, которые двигаются и взаимодействуют естественным образом. Затем облако освещается решеткой света (по сути, сеткой лазерных лучей), и на мгновение атомы замирают. Тонко настроенные лазеры быстро освещают атомы, ученые точно фиксируют их положение, пока облако не рассеется. Используя эту технику, команда сфотографировала облака разных видов атомов и получила несколько изображений отдельных бозонов, которые скапливались, образуя волну, и одиночных фермионов, объединяющихся в пары (см. снимки В).

В погоне за сумраком

Я уверен, что однажды мы увидим (ну или почувствуем, услышим, потрогаем, понюхаем — ​нужное подчеркнуть) ее — ​эту таинственную, неуловимую, но вездесущую темную материю. Потому что, судя по количеству публикаций, тема темной материи — ​одна из самых популярных среди ученых, уступает разве что квантовым и околоквантовым технологиям и искусственному интеллекту.

Программа MADMAX (эксперимент с аксионами, намагниченным диском и зеркалом) — ​масштабное исследование для обнаружения аксионов и темных фотонов с помощью инструмента, состоящего из стопки сапфировых дисков и зеркала. В недавней статье в Physical Review Letters коллаборация MADMAX опубликовала первые результаты поиска темных фотонов с прототипом их детектора. Не вдаваясь в описание сложного механизма, скажу, что результаты пока нулевые. Но оптимизма ученые не теряют. Один из авторов статьи Якоб Матиас Эгге заявил: концепция основного детектора доказала свою работоспособность, будем экспериментировать дальше и больше, увеличивая шансы на успех.

В том же журнале группа ученых Дартмутского колледжа (США) предложила новую математическую модель происхождения темной материи: она могла образоваться на раннем этапе существования Вселенной в результате столкновения высокоэнергетических безмассовых частиц. Согласно модели, горячие быстродвижущиеся безмассовые частицы доминировали в хаосе после Большого взрыва. Потом эти частицы стали притягиваться друг к другу противоположными направлениями своих спинов и приобрели невероятную массу сразу после объединения в пары. По мере охлаждения частиц дисбаланс в спинах приводил к резкому падению энергии, подобно тому как пар быстро остывает в воде. Результатом стали холодные тяжелые частицы, которые, по мнению ученых, и составляют темную материю.

Антигрузоперевозки в ЦЕРН

В Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) физики осваивают грузоперевозки. Недавно оттуда пришла новость о завершении учений по изъятию элементарных частиц из лаборатории и их транспортировке. Тренировались на обычных протонах, но вскоре их место займут антипротоны: антиматерию необходимо изучать за пределами лабораторий, которые ее создают.

В эксперименте BASE (барионная-антибарионная симметрия) поиск различий между материей и антиматерией фокусируется на измерении магнитного момента протонов и антипротонов. Добиться высочайшей точности измерений на церновской фабрике антиматерии (AMF), которая в изобилии производит низкоэнергетические антипротоны, сложно. Наводки и флуктуации магнитного поля от оборудования там размывают сигнал, и команда собирается перевезти антипротоны в более защищенные лаборатории.

Ученые разработали устройство, в котором можно перевозить захваченные антипротоны на грузовике на значительные расстояния. Первый пункт назначения — ​Университет Генриха Гейне в Дюссельдорфе. Там строится система ловушек Пеннинга, чтобы искать нарушения зарядовой четности и времени в протонах и антипротонах с точностью, по крайней мере в 100 раз превышающей точность, возможную в AMF.