Частица Бога и великое ничто. Почему после открытия бозона Хиггса физика элементарных частиц зашла в тупик

В июле 2012 года физики на Большом адронном коллайдере в Европе объявили об открытии бозона Хиггса. Это была недостающая деталь Стандартной модели, теории, которая описывает 25 известных элементарных частиц и их взаимодействия. Поле Хиггса объясняет, откуда у частиц появляется масса. Без него электроны, кварки и другие базовые кирпичики материи не смогли бы замедляться, соединяться в атомы и формировать привычный мир.

Само открытие не стало неожиданностью. К моменту запуска LHC большинство физиков уже были уверены, что бозон Хиггса существует. Куда важнее оказалось другое: в данных коллайдера не появилось ничего сверх этого. Коллайдер строили не только ради подтверждения Стандартной модели. От него ждали выхода за её пределы. В теории есть слишком много белых пятен. Она не объясняет, что такое тёмная материя. Не дает ответа, почему во Вселенной почти нет антиматерии. Не говорит, почему вообще произошел Большой взрыв. Есть и так называемая проблема иерархии: масса бозона Хиггса определяет масштаб атомного мира, но существует и совершенно другой фундаментальный масштаб, связанный с квантовой гравитацией и так называемой планковской энергией. Разрыв между этими уровнями выглядит физически странным и неустойчивым. Еще в 1981 году Эдвард Уиттен предложил идею, что этот дисбаланс может компенсироваться существованием новых частиц, немного тяжелее бозона Хиггса. Энергии LHC должно было хватить, чтобы их обнаружить.

Но при столкновениях протонов детекторы снова и снова фиксировали только частицы Стандартной модели. Ничего нового. Ни дополнительных полей, ни экзотических частиц, ни новых сил.

Отсутствие «новой физики» - болезненный момент для всей области. Когда привычные теоретические ориентиры перестали работать, стало непонятно, где вообще искать следующий шаг. Часть исследователей тогда открыто говорили, что фундаментальная физика частиц может начать медленно вымирать как научное направление, просто потому что нет экспериментов, способных дать новые данные.

Прошли годы, и новостей из этой области действительно стало меньше. Но коллайдер продолжает работать, и у физиков появились новые инструменты. За последние пару лет в обработке данных начали активно использовать алгоритмы машинного обучения. Системы распознавания образов лучше, чем классические программы, сортируют «обломки» столкновений протонов и точнее классифицируют события. Это позволяет более аккуратно измерять вероятности различных взаимодействий частиц. Например, можно точнее отличать случаи рождения топ-кварков от процессов с b-кварками. Любые статистические отклонения от расчетов Стандартной модели могли бы намекнуть на присутствие неизвестных частиц, пусть и косвенно.

Крупные новые частицы, сравнимые по массе с бозоном Хиггса, уже давно бы проявились как явные «пики» в данных. Но физики не исключают, что легкие и нестабильные частицы могут скрываться в статистических провалах и редких аномалиях. Теоретически, например, может существовать нестабильная частица темной материи, которая время от времени распадается на пары мюонов и антимюонов. Необычный избыток таких событий мог бы стать косвенным признаком её существования. Пока что более точные измерения лишь подтверждают расчеты Стандартной модели.

В CERN все чаще говорят, что нынешний коллайдер можно считать инструментом тонкой проверки самой теории. Многие её следствия трудно просчитать аналитически, и важность экспериментальной проверки никуда не девается. Поиск физики за пределами Стандартной модели формально продолжается, но пока без результатов.

Поэтому сообщество снова смотрит в сторону крупных проектов. В CERN обсуждают строительство Future Circular Collider, нового коллайдера с тоннелем длиной около 91 километра под франко-швейцарской границей. Сначала там планируют сталкивать электроны, чтобы получать более «чистые» данные и максимально точные измерения. Позже установку могут модернизировать под столкновения протонов, уже на энергиях примерно в 7 раз выше нынешних возможностей LHC. Это даст шанс, пусть и небольшой, увидеть тяжелые частицы, недоступные нынешнему коллайдеру. Решения о финансировании проекта ожидаются не раньше 2028 года.

В США обсуждают альтернативный путь. Речь идет о мюонном коллайдере. Мюоны, как и электроны, являются элементарными частицами, но они в 200 раз тяжелее. Проблема в том, что мюоны крайне нестабильны и распадаются за микросекунды, поэтому их нужно успеть создать, ускорить и столкнуть почти мгновенно. Реализация такого проекта займет десятилетия и потребует миллиардных вложений, при этом никакой гарантии открытия новой физики нет.

Параллельно Китай отказался от идеи гигантского суперколлайдера и сосредоточился на более компактной установке, так называемом «tau-charm» комплексе. Там будут изучать тау-частицы и charm-кварки (очарованные кварки), в том числе проверять, могут ли тау-лептоны превращаться в мюоны или электроны. Такие переходы не предсказываются Стандартной моделью, но допускаются в её расширениях.

На фоне всех этих проектов в самой среде физиков идет внутренний сдвиг. Часть теоретиков уходит в более абстрактные направления, связанные с математическим анализом вероятностей взаимодействия частиц и геометрической структурой физических теорий. Другие уходят в сферу ИИ и анализа данных, считая, что именно там сейчас быстрее появляется новый фундаментальный результат. Многие молодые ученые переходят в смежные области или в индустрию, где проще получить быстрый эффект и финансирование.

При этом внутри сообщества все чаще звучит простая формула: физика частиц не умерла, она стала сложной. Нет очевидных направлений поиска, нет понятных ориентиров, нет гарантированных открытий. Но остаются вопросы о фундаментальных законах природы, о структуре материи, о происхождении масс, пространства и времени. Исследования продолжаются, хотя теперь это больше похоже не на уверенное движение по дороге, а на поиск тропинок в тумане.

Физики по-прежнему проверяют данные, строят новые установки, ищут аномалии, развивают теорию и эксперимент. Просто теперь никто не может сказать, где именно появится следующая зацепка. Возможно, её даст новый коллайдер. Возможно, редкий распад частицы. Возможно, идея из теоретической математики. А возможно, Вселенная действительно уже показала всё, что готова показать в экспериментах, и дальше ответы придется искать другими способами.