Проф. Джим Верди*: Колайдерите ни помагат да разберем вселената

Проф. Верди, защо е толкова важно за физиците да открият бозона на Хигс?

Светът около нас е изграден от атоми. Самите атоми съдържат частици като протоните, неутроните и електроните. Всички тези частици притежават маса, а масата е това, което изпълва Вселената с материя. Например, ако не съществуваха частици с маса, то самите ние бихме съществували единствено под формата на лъчение (радиация).

И най-простите и елегантни обяснителни теории, които можем да измислим, съдържат частици, които нямат маса. Тези теории обаче не могат да обяснят нашия свят, защото в света, в който живеем, частиците имат маса.

В миналото сър Исак Нютон, а след нето и Алберт Айнщайн са открили закономерности, които обясняват взаимовръзките между масата и другите физични явления като енергията и ускорението. И двамата обаче не успяват да ни обяснят какво точно е масата. Днес ние се опитваме да разберем какво точно е масата, как тя се създава и дали частицата, наречена бозон на Хигс, е тази, която придава маса на останалите елементи.

Друг въпрос, който ни вълнува е защо частиците имат пет различни типа маси. Например се оказва, че електронът има маса, която е 1000 пъти по-малка от масата на неутрона и протона.

Кое ще бъде най-важното заключение, ако се окаже, че "частицата - Бог" не съществува?

 Подобен изход от експериментите с Големия адронен колайдер (LHC) е възможен. Ако докажем, че бозонът на Хигс не съществува, ще стане доста интересно за нас, физиците. Ще се окаже, че ние не сме разбирали добре начина, по който Вселената работи. Подобно развитие ще ни доведе до ново разбиране за структурата на материята, а това е начинът, по който правим прогрес.

Понякога се случва да се натъкнем на явление, което въобще не сме очаквали да наблюдаваме, и това повдига нови въпроси, отговорът на които ни помага да разберем природата по-добре.

Подобно развитие на нещата означава ли, че Стандартният модел ще престане да действа и ще бъде подменен с друга теория?

Стандартният модел е една много успешна теория. Тя успява да предвиди и обясни всички емпирични наблюдения, които сме направили до този момент. Тя ще остане фундаментална физична теория, която ни обяснява света на дадено ниво, подобно на успешните теории в миналото, чиито закони продължават да важат. Например, когато изстрелваме сателити, продължаваме да използваме законите на Нютон, които обясняват много добре света на макро ниво. В последствие Айнщайн ги е модифицирал и обогатил в случаите, които те спират да действат, което обаче не ги прави невалидни. Същото важи и за Стандартния модел. С помощта на LHC се надяваме в бъдеще да разрешим някои недостатъците на тази теория и да получим по-добро разбиране за начина, по който Стандартният модел работи.

Какво е мнението ви за Теорията на струните и може ли тя да обясни фундаменталните физични явления?

Това, което физиците се опитват да направят от много години, е да опишат всички природни явления в една обща рамка. Много от стъпките, които човечеството е направило, са били стъпки в тази насока. Първото теоретично обединение е било дело на Нютон, който в теорията си успял да съчетае гравитацията на Земята с тази на небесните тела. По-късно с уравненията си Робърт Максуел обединил явленията електричество и магнетизъм – двете гледни точки към един и същи феномен. Преди 30 години Глашоу, Салам и Уайнберг прибавиха към общата теория силата на слабото ядрено взаимодействие, която е отговорна за процесите в слънцето.

Така в момента разполагаме със Стандартния модел, която обединява три от четирите фундаменталните природни сили, с изключение на гравитацията. Теорията на суперструните е опит да се създаде една обща теория. Все още обаче има много какво да се свърши, докато подобна пълна теория на всичко бъде създадена. Ако теорията на струните е правилна, то при работата ни с LHC би могла да стигнем до важни резултати, които да я докажат.

Мислите ли, че в бъдеще учените ще трябва да построят по-големи и мощни колайдери от LHC?

Повече от век създаваме колайдери, които са все по-мощни. Те са ни нужни, за да направим следващата стъпка в разбирането на Вселената. В случая с LHC ние трябва да разберем какво ще ни разкрие природата при сблъсъците на частици с енергии, които са около 10 пъти по-високи от тези, с които сме работили допреди построяването му.

Първо трябва да направим откритие и да разберем как то се вписва в общата рамка. Следващата стъпка е да разберем на по-дълбоко ниво какво точно сме открили и да го разгледаме под различни ъгли. За тази цел използваме две две принципно различни машини. Едната – LHC – сблъсква частици и като протоните и позитроните, които се състоят от други елементарни частици. Другата - ускорителят LEP – сблъсква електроните и позитроните, които сами по себе си са елементарни частици. С LEP можем да разберем случващото се много по-голяма прецизност, при условиe, че знаем какво точно търсим.

Кое е най-важното откритие, направено досега на Големия електронно-позитронен колайдер (LEP)?

Ускорителят LEP ни показа две важни неща. Едното е, че съществуват три семейства от кварки и лептони (видове елементарни частици бел.ред.). За съществуването на конвенционалната материя, е необходимо само едно семейство. Сега трябва да разберем защо съществуват другите две.

Второто ни важно откритие е, че с експериментите, проведени на LEP, показахме голямата мощ на Стандартния модел като обяснителен модел на Вселената.

В холивудските филми често виждаме как с помощта на колайдери учени успяват да създадат черни дупки и мощни бомби от антиматерия. Кои са най-големите заблуди свързани с LHC в масовото съзнание?

Опасност LCH да генерира черна дупка, която да ни погълне, няма. Планетата от милиарди години е бомбардирана от космически лъчи, чиито енергии често са дори по-високи от тези, които постигаме в колайдера. Това, което LHC може да направи, вече многократно се е случвало в природата. Aко в следствие на сблъсъците наистина се образуват черни дупки, то те са се появявали около Земята безброй пъти и въпреки това ние сме все още тук.

Новото е, че с помощта на колайдера ние можем да наблюдаваме тези високоенергетични сблъсъци в контролирана лабораторна среда и да изучаваме свойствата им.

По въпроса за антиматерията е вярно, че тя може да бъде създадена, но в изключително миниатюрни количества от няколко десетки частици. Това, което учените се опитват да разберат, е дали физическите характеристики на антиматерията са аналогични на тези на материята. Всъщност първите частици антиматерия са създадени още преди 70-80 години. Днес ние дори използваме на практика антиелектрони в позитрон-емисионна томография (PET), използвана за медицински изследвания.

Как решихте да се занимавате с физика?

За това е "виновен" учителят ми по физика в училище, който ме запали, когато бях 15-16 годишен. Освен това науката, която физиците от ЦЕРН създават, е свързана с разпалващи въображението проекти като LHC. Те се стремят да отговорят на фундаменталните въпроси кои сме, откъде идваме и накъде отиваме, и които стоят пред младите хора с особена острота. Технологичният свят, в който живеем днес, се нуждае от много образовани хора, които трябва да разбират от наука. Проекти като LHC са много важни, тъй като те вдъхновяват младите по пътя им към нови знания.

*Джим Верди е един от авторите на проекта за Компактния мюонен соленоиод (CMS) - един от двата основни експеримента на Големия адронен колайдер. Заместник-ръководител е по изграждането на проекта 1992 до 2007 г и негов ръководител от 2008/2009 г. Успоредно с работата си в ЦЕРН, Верди е професор ви Imperial College в Лондон.

В рамките на тазгодишния Софийски фестивал на науката Джим Върди и неговият колега от ЦЕРН Лин Еванс - бивш ръководител на Големия адронен колайдер изнесоха публична научнопопулярна лекция. В презентаците си те описаха на достъпен език същността на LHC и работата си по основните експерименти в CMS.