Могут ли в суперколлайдере возникнуть черные дыры?
Недавно было принято решение о строительстве 100-километрового суперколлайдера — гигантского ускорителя частиц. Ради чего задуман этот амбициозный проект и имеют ли под собой основание мифы о том, что колоссальная установка может случайно породить черную дыру?
Объясняет Денис Юшин, инженер космической отрасли и автор научно-популярного канала Science & Future в «Яндекс.Дзене».
Физика элементарных частиц пришла к важному моменту своей истории. Открытие бозона Хиггса завершило Стандартную модель (СМ) — основную теорию, лежащую в основе известного набора элементарных частиц и фундаментальных взаимодействий.
Однако СМ оставляет без ответа такие важные вопросы, как природа темной материи, происхождение асимметрии материи — антиматерии во Вселенной, существование и иерархия масс нейтрино. Для решения этих вопросов и выяснения происхождения и свойств вновь открытого бозона Хиггса требуются высокоэнергетические коллайдеры: универсальные, мощные, обладающие беспрецедентной точностью, чувствительностью и энергетическим охватом.
СМ была впервые сформулирована в 1960-х годах, теоретически закреплена в начале 1970-х годов и подтверждена серией открытий, сделанных за десятилетия экспериментов. СМ описывает с большой точностью бесчисленные физические явления, наблюдаемые в лабораториях и в космосе, связывая современные эксперименты с первыми секундами существования Вселенной после Большого взрыва.
Это достижение не останавливает необходимость дальнейших исследований. Остается еще много неразрешенных вопросов (причем происхождение бозона Хиггса стоит во главе списка), на которые могут ответить только более мощные лептонные и адронные коллайдеры.
Строительство любого нового коллайдера требует значительных инвестиций. Он — неотъемлемая часть долгосрочного видения физики высоких энергий: максимизирует результативность экспериментов при минимизации общих затрат и обеспечивает разнообразие физической программы. Все это может быть достигнуто путем совместного и/или повторного использования бóльшей части новой инфраструктуры и получения прибыли от уже существующих объектов, включая их технические и административные ноу-хау.
Учитывая все вышеописанное, 19 июня 2020 года Совет CERN единогласно одобрил строительство суперколлайдера. Согласно плану его работы, первое столкновение электронов с позитронами, их античастицами, произойдет ближе к 2050 году. Благодаря этому мы впервые сможем наблюдать столкновение материи и антиматерии. Собственно, именно в этой части работы суперколлайдера основной целью является уточнение свойств бозона Хиггса. Является ли он элементарной частицей или составным состоянием ограниченных частиц? Какой механизм порождает его массу и самосопряженность, приводя к образованию масс частиц? Можно ли вычислить массу Хиггса или это произвольный параметр? Какова была природа фазового перехода, который привел в ранней Вселенной к нарушению симметрии?
Во второй половине столетия будет создан протон-протонный ускоритель, для чего и предполагается достичь энергии столкновения 100 тераэлектронвольт (ТэВ, в БАК она равна 16 ТэВ). Целью второго этапа станет поиск совершенно новых частиц или даже сил природы, что неизбежно приведет к расширению или даже замене СМ. Начать строительство, согласно одобренному 19 июня документу, предполагается в 2038 году. Правда, проекту придется преодолеть несколько серьезных проблем.
Первая проблема — финансирование. Для строительства потребуется как минимум $21 млрд, что выходит далеко за рамки регулярного бюджета, который CERN получает от государств-членов. Для решения этой проблемы рассматривается возможность создания новой мировой научной организации, в которую войдут европейские страны, Япония, Китай и США. Другая проблема заключается в том, что существенная часть технологий, которые необходимы для ускорителя второго этапа, еще даже не разработаны. Правда, это можно отнести и к положительным моментам, ведь они станут предметом интенсивного изучения на ближайшие десятилетия. До создания нового коллайдера CERN будет продолжать эксплуатировать модернизированную версию нынешнего под названием High Luminosity LHC, который в настоящее время строится, а ориентировочно с 2024 года начнется модернизация, которая продлится около двух с половиной лет.
А что там с черными дырами, которые могут возникнуть в коллайдере и поглотить Землю? Это самый распространенный миф, который регулярно всплывает в среде конспирологов. Ряд теорий предсказывают существование дополнительных измерений. Проще говоря, если существование дополнительных измерений действительно возможно, то теоретически возможно и получение микроскопических черных дыр в результате столкновения частиц в коллайдере.
На самом деле если мы действительно сможем получить черные дыры, то совершим невероятный технологический и научный прорыв, который навсегда изменит наше представление о Вселенной
Дело в том, что нам, судя по всему, никогда не достичь тех энергий, которые порождает Вселенная. Частицы с энергиями, более чем в 100 млн раз превышающими те, с которыми мы будем работать в суперколлайдере, постоянно бомбардируют Землю и нас. Если те самые теоретические миниатюрные черные дыры действительно существуют, то они появляются при столкновении космических лучей с веществом и нами на протяжении всей истории. Раз с нами до сих пор ничего не случилось, значит, подобные черные дыры не несут в себе совершенно никакой опасности и можно выдохнуть. Даже если однажды человечество дойдет до строительства коллайдера космических масштабов, скажем, вокруг Земли, оно не достигнет энергий Вселенной, так что опасаться нечего. Зато именно ускорители частиц способны дать ответы на такие вопросы мироздания, как, например, существование антиматерии, которая теоретически позволит нам создать варп-двигатель для межзвездных путешествий. Ну а пока для начала запустим 100-метровый суперколлайдер.
