Радісне божевілля. Святкування 40-річчя бозона Хіггса
Вранці 4 липня 2012 року Фабіола Джанотті та Джо Інкандела стояли перед переповненою аудиторією ЦЕРНу, щоб оголосити про відкриття бозона Хіггса. Вчені з усього світу налаштувалися на це. У Сполучених Штатах дослідники прокидалися посеред ночі, щоб спостерігати.
Одна з нас, Марія, учасниця експерименту CMS, була в аудиторії. Інший, Майкл, був у Колорадо в Центрі фізики Аспена, де була кімната, повна теоретиків, які не спали до пізньої ночі, щоб почути захопливі новини.
Відкриття, яке завершило Стандартну модель, стало тріумфом фізики елементарних частинок та науки. Але хто саме зробив це відкриття?
Звісно, не було однієї людини: лише у статті про відкриття колаборації ATLAS, де 24 сторінки були відведені лише іменам, було перераховано 3172 автори. В результаті відкриття бозона Хіггса було проголошено прикладом успіхів спільної «великої науки».
Але це відкриття не лише продемонструвало велику науку. Воно стало передвісником нового стилю у фізиці елементарних частинок. Так, воно вимагало фізиків елементарних частинок, але також інженерів, вчених-прискорювачів, обчислювальних науковців та фізиків низьких температур. Іншими словами, відкриття бозона Хіггса продемонструвало «великий намет» людей та ідей, необхідних для розуміння фундаментальної природи матерії, енергії, простору та часу.
Цей великий намет показує, наскільки глибоко змінилася фізика елементарних частинок і як ця галузь змінює саму природу фізичних досліджень.
У ЦЕРНі члени колаборацій ATLAS та CMS вибухають оплесками після оголошення лауреатів Нобелівської премії з фізики 2013 року, яку отримали Франсуа Енглерт та Пітер Хіггс за їхню роботу над теорією, що передбачила бозон Хіггса.
Вибух фізики елементарних частинок
Сьогодні сфера фізики елементарних частинок величезна. Вона приваблює фізиків, що спеціалізуються на конденсованій матерії, гравітаційних, атомних, молекулярних та оптичних (AMO) фізиків, а також астрономів, вчених-обчислювачів, фізиків-прискорювачів та інженерів. Інші дослідники в цій галузі зосереджуються на квантовій інформатиці, штучному інтелекті та машинному навчанні.
Цей вибух не стався за одну ніч. Двадцять п'ять років тому фізика елементарних частинок була присвячена частинкам і силам, які досліджували експериментатори за допомогою прискорювачів, а теоретики намагалися все це зрозуміти.
Потім питання почали змінюватися. Стандартна модель, з бозоном Хіггса в центрі, чудово пояснювала відомі сили та частинки, але вона не могла пояснити те, що бачили космологи: темна матерія, що утримує галактики разом, темна енергія, що прискорює розширення Всесвіту, та докази космічної інфляції. Натомість ці концепції були центральними для іншої стандартної моделі – моделі космології LambdaCDM.
Раптом розуміння матерії та енергії означало боротьбу зі структурою простору, часу та Всесвіту. Фізика елементарних частинок сама по собі — принаймні, в тому вигляді, в якому вона була організована тоді — не могла відповісти на ці питання.
Тож галузь розширилася, і космологи й астрофізики приєдналися до намету. Стандартна модель почала змішуватися з моделлю LambdaCDM, об'єднуючи великі питання про матерію та енергію — частинки та їхню взаємодію — з великими питаннями про простір, час, гравітацію та походження Всесвіту. Це об'єднання також привабило безліч теоретиків — струн, гравітації та квантової інформації — які самі боролися з природою та походженням простору і часу.
Тим часом, штучний інтелект, машинне навчання та великі дані – інструменти, що використовуються багатьма підгалузями, – розмили традиційні межі. Методи, започатковані в одній галузі, мігрують в іншу. Наприклад, аналіз великих наборів даних в експериментах на прискорювачах та космічних дослідженнях використовує штучний інтелект та машинне навчання, генеруючи ідеї, які потім повертаються до інформатики. А статистичні методи, започатковані в астрофізиці та космології, зараз регулярно використовуються в експериментах на колайдерах.
З появою нових питань вони вимагають нових підходів. Темну енергію, таємничу форму енергії, яка становить 70% Всесвіту, можна вивчати лише за допомогою телескопів, що дивляться глибоко в космос і далеко в минуле. Темну матерію, яка об'єднує галактики та всі космічні структури, також можна вивчати за допомогою телескопів, але для розкриття її фундаментальної природи та пошуку ще невідкритих частинок, що її складають, потрібні надчутливі детектори в глибоких підземних лабораторіях, захищених від космічних променів. Ці експерименти спираються на методи оптичної та радіоастрономії та фізики конденсованого стану, а також на нові квантові датчики, розроблені фізиками елементарних частинок.
Дослідження нейтрино також спирається на різноманітні інструменти. Ми підтвердили існування нейтрино за допомогою ядерних реакторів. Прискорювачі показали, що ці дивні частинки бувають кількох типів. І ми використовували підземні детектори, щоб дізнатися, що нейтрино мають масу та коливаються між типами. (Ці відкриття призвели до чотирьох Нобелівських премій.)
Досі залишаються великі загадки нейтрино: чи є вони власними античастинками? Що пояснює їхні крихітні маси? Чи порушують їхні взаємодії симетрію матерії/антиматерії та пояснюють відсутність антиматерії у Всесвіті сьогодні? Відповідь на ці питання вимагає пошуку рідкісних ядерних розпадів, пучків нейтрино з реакторів і прискорювачів, а також телескопів, які досліджують вплив космічних нейтрино на ріст структури у Всесвіті.
Інші загадки, зокрема об'єднання сил і частинок, вимагають високоточних вимірювань. Наприклад, електричний дипольний момент електрона пропонує вікно у фізику за межами Стандартної моделі. Пошук п'ятих сил і відхилень від ньютонівської гравітації на коротких відстанях може розкрити підказки щодо об'єднання гравітації з іншими силами природи. І всі ці зусилля залучають нових дослідників, включаючи фізиків конденсованого стану, фізиків AMO та вчених, що спеціалізуються на точних вимірюваннях.
Для дослідників, які сьогодні займаються фізикою елементарних частинок, особливо для тих, хто перебуває на початку своєї кар'єри, ці великі зрушення в цій галузі впливають на робочі місця, установи та самих науковців.
Можливості дослідження
По-перше, розширення намету створює ширший спектр глобальних можливостей для дослідників, ніж існувало покоління тому. Фізики-елементари сьогодні можуть працювати над експериментом з прискорювачем у Великому адронному колайдері у Швейцарії; вивчати нейтрино у Фермілабі в Іллінойсі; картографувати темну енергію за допомогою потужних телескопів у чилійській обсерваторії Рубіна; шукати темну матерію в підземній лабораторії в Південній Дакоті чи Італії; або вимірювати поляризацію космічного мікрохвильового фону на Південному полюсі.
Існує величезна різноманітність не лише в експериментах, але й у часових рамках та розмірі команд. Деякі проекти, такі як космічні дослідження та дослідження колайдерів, мають довші часові рамки та більші команди. Менші експерименти та теоретичні проекти зазвичай мають менші команди та часові рамки. Таке розмаїття дозволяє дослідникам брати участь у кількох видах діяльності одночасно або протягом усієї своєї кар'єри.
Згадайте Брюса Вінстайна, який перейшов від вивчення субатомних частинок за допомогою прискорювачів до вивчення космічного мікрохвильового фону, принісши з собою методи та співробітників з фізики елементарних частинок. Або Баррі Баріша, який розпочав свою кар'єру на прискорювачі, проводив дослідження в підземній лабораторії, а потім очолив успішний пошук гравітаційних хвиль у LIGO, за що він розділив Нобелівську премію 2017 року.
Міждисциплінарні вчені
По-друге, ці нові шляхи формують іншого типу вченого. Наприклад, дослідник, який працював як над колаборацією колайдерів, так і над експериментом з темною матерією, виявляє незвичайну універсальність: досвід у використанні найсучасніших приладів та інструментів, включаючи машинне навчання та методи штучного інтелекту; здатність орієнтуватися як у величезних міжнародних командах, так і в невеликих, гнучких групах; та вільне перемикання між піддисциплінами, встановлюючи зв'язки, які дослідники, що закріпилися в одній галузі, можуть пропустити.
Окрім переваг для науки, цей міждисциплінарний стиль корисний і для вчених. Навчання, організоване за навичками та методами, а не за жорсткими межами галузей, як правило, випускає дослідників, які мають високу адаптивність та високу працевлаштування. Зрештою, багато актуальних наукових проблем сьогодення — від зміни клімату до квантових обчислень та штучного інтелекту — не дотримуються традиційних дисциплінарних меж. Фізики елементарних частинок, які пройшли навчання у великому наметі, розвивають креативність, яка цінується як в академічних колах, так і в промисловості, особливо для галузей та технологій, що розвиваються.
Інституції, що розвиваються
По-третє, модель «великого намету» змінює самі установи. Фізичні кафедри відходять від традиційних субдисциплінарних силосів — окремих груп, скажімо, для фізики елементарних частинок та фізики конденсованого стану — та організовуються навколо більших тем, таких як квантові вимірювання, нанонаука або великі дані. Окремі групи під керівництвом викладачів стають спеціалізованими, але їхні інтереси та діяльність перетинають теми. Дослідники частіше взаємодіють та обмінюються ідеями.
Теорія пропонує конкретний приклад такої перебудови. Сьогодні в багатьох установах теорія організована не за піддисциплінами, а в міждисциплінарних центрах, де дослідники використовують ті самі математичні інструменти. Десять нових теоретичних інститутів, що фінансуються Фондом Лейнвебера, дотримуються такої моделі. І один з нас, Майкл, на початку своєї кар'єри скористався перевагами двох новаторських теоретичних центрів: Інституту теоретичної фізики Кавлі в Каліфорнійському університеті в Санта-Барбарі та Фізичного центру Аспена. Обидва сприяли роботі між традиційними ізольованими напрямками — астрофізикою, фізикою конденсованого стану та фізикою частинок — об'єднуючи теоретиків для проведення семінарів та зустрічей.
Урок смирення для вчених
Фізика елементарних частинок — це галузь, що вражає своєю скромністю. Досліджуючи таємниці Всесвіту, ми стикаємося з нашою крихітністю в ньому, дивністю законів природи та межами того, що ми знаємо. Але для нас є ще одне вражаюче одкровення: жоден єдиний підхід, жоден єдиний набір інструментів не може відповісти на найфундаментальніші питання. Розуміння походження простору та часу, природи матерії та енергії, долі космосу — ці виклики вимагають більшого розуму, перспектив та креативності, ніж може забезпечити будь-яка одна дисципліна.
Для дослідників це означає щось конкретне. Цій спільноті потрібні експерти з усіх галузей фізичних наук. Якщо вас цікавлять важливі питання про Всесвіт, але ви не бачили себе в традиційній фізиці елементарних частинок, то зараз намет більший. І він потребує вас...
Коментарі
Дописати коментар