БАК, самая внушительная научная установка из когда-либо построенных человеком, сейчас реконструируется для достижения больших энергий, но ученые уже обсуждают проект гораздо более крупного коллайдера для поиска недостающего кирпичика в фундаменте квантовой теории — гравитонов.

Большой адронный коллайдер (БАК) — начиненный сложнейшей научной аппаратурой подземный туннель длиной в 27 км — поражает воображение, но вряд ли навечно останется мировым рекордсменом в своем классе ускорителей. В середине февраля в Женевском университете ученые обсуждали возможность сооружения коллайдеров, которые превзойдут БАК настолько же, насколько он превзошел уже закрытый Тэватрон. Таков проект протон-протонного коллайдера, способного сталкивать частицы с суммарной энергией порядка 100 ТэВ. Для его сооружения нужно прорыть (скорее всего, в окрестностях Женевы) круговой туннель длиной 80−100 км. На первом этапе в этом туннеле предполагают разместить самый мощный в мире электронно-позитронный коллайдер, где общая кинетическая энергия сталкивающихся частиц составит 350−500 ГэВ. Позднее вступит в действие и протонный суперколлайдер, который сможет работать одновременно с ускорителем лептонов.

На задворках девятимерья

Совсем недавно с помощью БАК был найден бозон Хиггса, однако в науке о микромире существует серьезное белое пятно — это переносчики гравитационного взаимодействия, гравитоны. И в этом вопросе на новый суперколлайдер возлагаются серьезные надежды: не исключено, что при таких энергиях его удастся превратить в «гравитонную пушку» — источник гравитонов.

Этот сценарий может стать реальностью, если наше пространство имеет скрытые измерения, пока еще не обнаруженные экспериментально. Такие модели на полном серьезе обсуждаются в теории струн. Согласно наиболее проработанной версии, наш трехмерный мир — лишь срез (научно выражаясь, «брана») девятимерного пространства. Однако все шесть дополнительных измерений компактны и замкнуты на себя на дистанциях меньше некоторого критического размера, поэтому ни наши органы чувств, ни самые точные приборы их не видят.

Между тем сила тяготения, согласно закону Ньютона, изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния лишь в трехмерном пространстве, а каждое «лишнее» измерение добавляет к показателю степени по единице. Разница весьма существенная, но мы ее не наблюдаем. Почему? Согласно квантовой теории поля, сила тяготения возникает вследствие обмена гравитонами. Эксперименты по прямой проверке закона Ньютона прощупывают дистанции много большие, чем критический размер. Гравитоны могут реально перемещаться на эти расстояния не по всему девятимерному пространству, а лишь в его трехмерном сечении — подобно электромагнитным волнам в волноводе. Поэтому все происходит, как будто дополнительных измерений вовсе нет, и закон Ньютона строго выполняется.

Проверка боем

В настоящее время закон Ньютона надежно подтвержден только для дистанций порядка десятых долей миллиметра. Но на самом деле «девятимерная» гравитационная постоянная может быть на много порядков больше ее «трехмерного» значения, и тогда для прорыва в дополнительные измерения хватит даже энергии нового суперколлайдера. В таком случае эта машина станет источником гравитонов, уходящих в другие измерения и уносящих с собой часть энергии столкнувшихся протонов. Хотя наблюдать сами гравитоны и не удастся, приборы смогут обнаружить, что в ходе рождения новых частиц в нашем трехмерном мире перестал выполняться один из самых фундаментальных законов — закон сохранения энергии. Останется сущий пустяк — отличить эту ситуацию от, скажем, рождения частиц темной материи, которые, как надеются физики, сможет породить суперколлайдер.

Интересно, что сходная ситуация имела место на заре ядерной физики. Эксперименты показывали, что кинетическая энергия электронов, вылетающих из нестабильных ядер при бета-распаде, изменяется в довольно широких пределах. В то же время появлялось все больше оснований полагать, что такие ядра теряют энергию дискретно и одинаковыми порциями. Но тогда каждый конкретный вид бета-распада должен генерировать электроны одинаковой энергии, а этого не происходило. Данную аномалию одно время пытались приписать нарушению закона сохранения энергии, но Вольфганг Паули нашел лучшее объяснение. Он предположил, что из ядер вылетают не только электроны, но и легкие незаряженные частицы, которые и уносят недостающую энергию. Эта гипотеза в свое время привела к открытию нейтрино. Может быть, теперь на очереди гравитоны?

Статья «Пушка гравитонного калибра» опубликована в журнале «Популярная механика» (№5, Май 2014).