Сможем ли мы обнаружить тёмную материю? — Рольф Ландуа

Страницу Patreon можно найти здесь: https://www.patreon.com/teded

Посмотреть урок полностью: https://ed.ted.com/lessons/could-we-create-dark-matter-rolf-landua

85 процентов материи в нашей Вселенной — это тёмная материя. Мы не знаем, из чего она состоит, и нам ещё только предстоит её увидеть, но учёные считают, что мы действительно сможем получить её в Большом адронном коллайдере — самом мощном ускорителе частиц в мире. Как это может у нас получиться? Учёный Рольф Ландуа из Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) рассказывает о том, как обнаружить новую частицу.

Урок — Рольф Ландуа, анимация — Lazy Chief.

85% материи нашей Вселенной —
это тайна.

Мы не знаем, из чего она состоит,
поэтому мы называем её тёмной материей.

Но мы знаем, что она существует,
потому что можем наблюдать

гравитационное притяжение
в галактиках и других небесных телах.

Нам ещё только предстоит
наблюдать тёмную материю,

но учёные полагают, что теоретически мы
действительно сможем получить её

в самом мощном в мире ускорителе частиц —

Большом адронном коллайдере —
или БАК, длина которого 27 километров

и который находится в Женеве, Швейцария.

Как это может у нас получиться?

В БАК два протонных пучка движутся
в противоположных направлениях,

ускоряясь почти до скорости света.

В четырёх точках пересечения пучков
протоны сталкиваются друг с другом.

Протоны состоят из гораздо
меньших компонентов,

называемых кварками и глюонами.

При большинстве обычных столкновений
два протона проходят сквозь друг друга

без какого-либо значительного результата.

Однако в одном из миллиона столкновений

два компонента так сильно
ударяются друг о друга,

что большинство энергии при
столкновении высвобождается,

производя тысячи новых частиц.

Только при таких столкновениях
могут возникнуть

очень массивные частицы,
такие как предполагаемая тёмная материя.

Точки столкновения окружаются детекторами,

содержащими около ста миллионов датчиков.

Как огромные трёхмерные камеры,

они собирают информацию о новых частицах,

включая их траектории,

электрический заряд

и энергию.

После обработки компьютеры могут
показать столкновения схематически.

Каждая линия — это путь разных частиц,

а разные типы частиц
помечены разными цветами.

Данные детекторов
позволяют учёным определить,

чем является каждая из частиц,

фотоном или электроном.

Детекторы способны делать снимки
около миллиарда столкновений в секунду,

что позволяет обнаруживать признаки
очень редких массивных частиц.

Задача осложнена тем,

что частицы, которые мы ищем,
могут быть нестабильными

и распадаться на более известные нам
частицы ещё до попадания в датчики.

Возьмём, например, бозон Хиггса:

существование частицы
давно предполагалось теоретически,

но её удалось обнаружить лишь в 2012 году.

Вероятность столкновения,
при котором образуется бозон Хиггса,

составляет 1 на 10 миллиардов,

и частица существует всего лишь
малую долю секунды,

а затем распадается.

Учёные разработали теоретические модели,
которые подскажут им, что искать.

Они полагали, что бозоны Хиггса
распадаются на два фотона.

Поэтому они сначала
исследовали только события

с выделением высокой энергии,
включающие два фотона.

Но здесь возникает проблема.

Есть огромное количество
взаимодействий частиц,

при которых может образоваться
два случайных фотона.

Как же отделить бозон Хиггса
от всех остальных?

На это есть ответ — масса.

Информация, собранная детекторами,
позволяет учёным вернуться на шаг назад

и определить массу той частицы,
от которой образовались два фотона.

Они наносят значения массы
и получают кривую,

а затем повторяют процесс
с двумя протонами.

Подавляющее большинство этих событий —
это случайные наблюдения за фотонами,

которые учёные называют
фоновыми событиями.

Когда бозон Хиггса образуется
и распадается на два фотона,

масса всегда оказывается одинаковой.

Характерным признаком бозона Хиггса

может быть небольшая «шишка» —
отклонение от кривой фоновых наблюдений.

Прежде чем возникнет подобная шишка,
потребуются миллиарды наблюдений,

и результат учитывается только в случае,

если шишка окажется намного выше фона.

В случае бозона Хиггса

учёные БАК объявили
о грандиозном открытии лишь тогда,

когда вероятность составила
один к трём миллионам,

что столкновение не может быть
результатом статистической погрешности.

Вернёмся к тёмной материи.

Если протонные пучки БАК имеют
достаточно энергии, чтобы её создать,

то это, возможно, ещё более
редкое явление, чем бозон Хиггса.

Только на то, чтобы приступить
к попытке увидеть её,

потребуется квадриллион столкновений,
а также разработка теоретических моделей.

Вот этим и занимается сейчас БАК.

Генерируя огромный массив данных,

мы надеемся найти
крошечные шишки в наших кривых,

которые подтвердят существование
неизвестных частиц,

таких как тёмная материя.

А, может, то, что мы найдём,
не будет тёмной материей,

а будет чем-то другим,

и это изменит наше понимание того,
как устроена Вселенная.

И в этой работе есть своя прелесть.

Потому что мы и понятия не имеем,
что же мы пытаемся обнаружить.