Could we create dark matter? - Rolf Landua

Сможем ли мы обнаружить тёмную материю? — Рольф Ландуа

Переводчик: Ola Królikowska Редактор: Ростислав Голод

85% of the matter in our universe is a mystery.

85% материи нашей Вселенной — это тайна.

We don't know what it's made of, which is why we call it dark matter.

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

But we know it's out there because we can observe its gravitational attraction

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

on galaxies and other celestial objects.

гравитационное притяжение в галактиках и других небесных телах.

We've yet to directly observe dark matter,

Нам ещё только предстоит наблюдать тёмную материю,

but scientists theorize that we may actually be able to create it

но учёные полагают, что теоретически мы действительно сможем получить её

in the most powerful particle collider in the world.

в самом мощном в мире ускорителе частиц —

That's the 27 kilometer-long Large Hadron Collider, or LHC,

Большом адронном коллайдере — или БАК, длина которого 27 километров

in Geneva, Switzerland.

и который находится в Женеве, Швейцария.

So how would that work?

Как это может у нас получиться?

In the LHC, two proton beams move in opposite directions

В БАК два протонных пучка движутся в противоположных направлениях,

and are accelerated to near the speed of light.

ускоряясь почти до скорости света.

At four collision points, the beams cross and protons smash into each other.

В четырёх точках пересечения пучков протоны сталкиваются друг с другом.

Protons are made of much smaller components called quarks and gluons

Протоны состоят из гораздо меньших компонентов,

называемых кварками и глюонами.

In most ordinary collisions, the two protons pass through each other

При большинстве обычных столкновений два протона проходят сквозь друг друга

without any significant outcome.

без какого-либо значительного результата.

However, in about one in a million collisions,

Однако в одном из миллиона столкновений

two components hit each other so violently,

два компонента так сильно ударяются друг о друга,

that most of the collision energy is set free

что большинство энергии при столкновении высвобождается,

producing thousands of new particles.

производя тысячи новых частиц.

It's only in these collisions that very massive particles,

Только при таких столкновениях могут возникнуть

like the theorized dark matter, can be produced.

очень массивные частицы, такие как предполагаемая тёмная материя.

The collision points are surrounded by detectors

Точки столкновения окружаются детекторами,

containing about 100 million sensors.

содержащими около ста миллионов датчиков.

Like huge three-dimensional cameras,

Как огромные трёхмерные камеры,

they gather information on those new particles,

они собирают информацию о новых частицах,

including their trajectory,

включая их траектории,

electrical charge,

электрический заряд

and energy.

и энергию.

Once processed, the computers can depict a collision as an image.

После обработки компьютеры могут показать столкновения схематически.

Each line is the path of a different particle,

Каждая линия — это путь разных частиц,

and different types of particles are color-coded.

а разные типы частиц помечены разными цветами.

Data from the detectors allows scientists to determine

Данные детекторов позволяют учёным определить,

what each of these particles is,

чем является каждая из частиц,

things like photons and electrons.

фотоном или электроном.

Now, the detectors take snapshots of about a billion of these collisions per second

Детекторы способны делать снимки около миллиарда столкновений в секунду,

to find signs of extremely rare massive particles.

что позволяет обнаруживать признаки очень редких массивных частиц.

To add to the difficulty,

Задача осложнена тем,

the particles we're looking for may be unstable

что частицы, которые мы ищем, могут быть нестабильными

and decay into more familiar particles before reaching the sensors.

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

Take, for example, the Higgs boson,

Возьмём, например, бозон Хиггса:

существование частицы давно предполагалось теоретически,

a long-theorized particle that wasn't observed until 2012.

но её удалось обнаружить лишь в 2012 году.

The odds of a given collision producing a Higgs boson are about one in 10 billion,

Вероятность столкновения, при котором образуется бозон Хиггса,

составляет 1 на 10 миллиардов,

and it only lasts for a tiny fraction of a second

и частица существует всего лишь малую долю секунды,

before decaying.

а затем распадается.

But scientists developed theoretical models to tell them what to look for.

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

For the Higgs, they thought it would sometimes decay into two photons.

Они полагали, что бозоны Хиггса распадаются на два фотона.

So they first examined only the high-energy events

Поэтому они сначала исследовали только события

that included two photons.

с выделением высокой энергии, включающие два фотона.

But there's a problem here.

Но здесь возникает проблема.

There are innumerable particle interactions

Есть огромное количество взаимодействий частиц,

that can produce two random photons.

при которых может образоваться два случайных фотона.

So how do you separate out the Higgs from everything else?

Как же отделить бозон Хиггса от всех остальных?

The answer is mass.

На это есть ответ — масса.

The information gathered by the detectors allows the scientists to go a step back

Информация, собранная детекторами, позволяет учёным вернуться на шаг назад

and determine the mass of whatever it was that produced two photons.

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

They put that mass value into a graph

Они наносят значения массы и получают кривую,

and then repeat the process for all events with two photons.

а затем повторяют процесс с двумя протонами.

The vast majority of these events are just random photon observations,

Подавляющее большинство этих событий — это случайные наблюдения за фотонами,

what scientists call background events.

которые учёные называют фоновыми событиями.

But when a Higgs boson is produced and decays into two photons,

Когда бозон Хиггса образуется и распадается на два фотона,

the mass always comes out to be the same.

масса всегда оказывается одинаковой.

Therefore, the tell-tale sign of the Higgs boson

Характерным признаком бозона Хиггса

would be a little bump sitting on top of the background.

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

It takes billions of observations before a bump like this can appear,

Прежде чем возникнет подобная шишка, потребуются миллиарды наблюдений,

and it's only considered a meaningful result

и результат учитывается только в случае,

if that bump becomes significantly higher than the background.

если шишка окажется намного выше фона.

In the case of the Higgs boson,

В случае бозона Хиггса

the scientists at the LHC announced their groundbreaking result

учёные БАК объявили о грандиозном открытии лишь тогда,

when there was only a one in 3 million chance

когда вероятность составила один к трём миллионам,

this bump could have appeared by a statistical fluke.

что столкновение не может быть результатом статистической погрешности.

So back to the dark matter.

Вернёмся к тёмной материи.

If the LHC's proton beams have enough energy to produce it,

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

that's probably an even rarer occurrence than the Higgs boson.

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

So it takes quadrillions of collisions combined with theoretical models

Только на то, чтобы приступить к попытке увидеть её,

потребуется квадриллион столкновений, а также разработка теоретических моделей.

to even start to look.

That's what the LHC is currently doing.

Вот этим и занимается сейчас БАК.

By generating a mountain of data,

Генерируя огромный массив данных,

we're hoping to find more tiny bumps in graphs

мы надеемся найти крошечные шишки в наших кривых,

that will provide evidence for yet unknown particles, like dark matter.

которые подтвердят существование неизвестных частиц,

таких как тёмная материя.

Or maybe what we'll find won't be dark matter,

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

but something else

а будет чем-то другим,

that would reshape our understanding of how the universe works entirely.

и это изменит наше понимание того, как устроена Вселенная.

That's part of the fun at this point.

И в этой работе есть своя прелесть.

We have no idea what we're going to find.

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