Фотон может иметь «бесконечное» число состояний: Ученые обнаружили признак необычного свойства света, способного переписать Стандартную модель

Казалось бы, что может быть привычнее и понятнее света? Мы сталкиваемся с ним каждую секунду, он — основа нашего зрения и множества технологий. И частица этого света, фотон, давно изучена вдоль и поперек… или нет? Недавние теоретические изыскания группы физиков во главе с Филипом Шустером из Национальной ускорительной лаборатории SLAC (США) бросают вызов устоявшимся представлениям, намекая, что знакомый нам фотон может оказаться куда более сложной и многогранной частицей, чем мы думали. И если их догадки верны, это может заставить нас пересмотреть саму Стандартную модель — краеугольный камень современной физики элементарных частиц.

Спин: Квантовая юла или бесконечная карусель?

Чтобы понять суть возможной революции, нужно коснуться такого понятия, как спин. Упрощенно говоря, это собственное квантовое свойство элементарных частиц, нечто вроде их внутреннего момента вращения (хотя это и не совсем точное сравнение с макромиром). У фотонов, согласно текущим представлениям, спин может принимать всего два значения. Это проявляется, например, в поляризации света — свет может быть поляризован, скажем, вертикально или горизонтально (или по кругу вправо/влево). Два состояния, и точка.

Но что, если это не так? Что, если у фотона не два, а бесконечное множество возможных спиновых состояний? Тогда свет мог бы иметь бесконечное число вариантов поляризации. Такая гипотетическая частица называется частицей с непрерывным спином (ЧНС). Долгое время сама мысль о существовании ЧНС, особенно среди частиц-переносчиков взаимодействий (к которым относится и фотон, переносящий электромагнитное взаимодействие), считалась почти ересью. Стандартная модель, наш текущий «свод законов» микромира, довольно жестко ограничивает число спиновых состояний для таких частиц. Например, бозон Хиггса, дарующий массу, или гипотетический гравитон, переносчик гравитации, должны иметь строго определенное, конечное число спинов.

«Черт побери, мы слишком быстро их списали!»

И вот тут-то, как говорится, началось самое интересное. Филип Шустер и его команда более десяти лет назад взялись за, казалось бы, рутинную задачу: доказать, что никаких исключений из этого правила «конечного спина» для переносчиков силы быть не может. Но… у них не получилось! Как вспоминает сам Шустер, это был момент прозрения: «Черт побери! Люди слишком быстро списали эти [частицы] со счетов». Осознание того, что теоретический запрет на ЧНС не так уж и абсолютен, заставило ученых взглянуть на проблему под совершенно новым углом.

Суть да дело, если фотон — это на самом деле ЧНС, то он по-прежнему будет безмассовым и будет переносить электромагнитное взаимодействие. Но это будет означать, что Стандартная модель, при всей ее элегантности и подтвержденной мощи, — это не полная картина мира. Это, скорее, очень хорошее приближение к какой-то более глубокой и сложной теории, описывающей более замысловатые частицы. Не правда ли, захватывающая перспектива?

Водородный тест: Ищем следы невидимки

Но как же проверить столь смелую гипотезу? Теория теорией, а физика — наука экспериментальная. Команда Шустера предложила довольно изящный способ. Они обратили внимание на обычный атом водорода — простейший атом, состоящий из протона и электрона. Когда электрон в атоме водорода переходит с одного энергетического уровня на другой, более низкий, он излучает фотон. Это основа спектроскопии, мощнейшего инструмента изучения вещества.

Так вот, расчеты показали: существует такой специфический переход электрона в атоме водорода, при котором испускание обычного фотона (с двумя спиновыми состояниями) запрещено законами сохранения. А вот испускание фотона-ЧНС — вполне возможно! Значит, если экспериментаторы смогут зафиксировать излучение при таком «запрещенном» для стандартного фотона переходе, это станет веским, если не прямым, доказательством существования фотонов с непрерывным спином.

Шустер с оптимизмом смотрит на перспективы: «Вполне разумно полагать, что это можно проверить эмпирически, и не через 10-15 лет, а скорее уже сейчас». Хотя сам он пока не вовлечен в конкретные эксперименты, идея явно витает в воздухе.

Осторожный оптимизм и здоровый скепсис

Конечно, не все в научном сообществе разделяют бурный энтузиазм. Брандо Беллаццини из Университета Париж-Сакле называет ЧНС «курьезом в истории физики частиц» и отмечает, что математическое согласование их существования со Стандартной моделью — задача не из легких. Он считает новую работу «смелой и конкретной, но все еще спекулятивной», подчеркивая отсутствие экспериментальных данных. «Большинство физиков, — говорит Беллаццини, — включая меня, ожидают, что в конечном итоге будет обнаружено фатальное несоответствие».

И это нормально! Наука так и работает: смелые гипотезы встречаются со здоровым скепсисом, проходят через горнило критики и экспериментальной проверки. Беллаццини призывает «оставаться открытым для нового, но не терять критичности».

Ксавье Бекарт из Университета Тура также видит в идее ЧНС потенциал. По его мнению, такие экзотические частицы «могут лежать в основе новой физики за пределами Стандартной модели и, возможно, решить некоторые проблемы, с которыми сталкивается Стандартная модель». А проблем у нее, несмотря на все успехи, хватает — например, темная материя и темная энергия остаются загадками.

Если это правда… Придется съесть шляпу!

Сам Филип Шустер, будучи автором идеи, остается реалистом: «Возможность эта довольно радикальна, и я отношусь к ней довольно консервативно. Ответственный подход — это по-настояшему подвергнуть теорию стресс-тестированию». Но что, если будущие эксперименты действительно найдут следы фотона-ЧНС?

Последствия будут колоссальными. Это не просто «подправить» Стандартную модель — это, возможно, ее кардинальный пересмотр. Как выразился Шустер, «многим придется съесть свои шляпы. И я бы съел свою шляпу».

Так что же, мы на пороге новой физической революции? Покажет только время и, конечно же, эксперимент. Но сама возможность того, что привычный нам свет скрывает такие глубокие тайны, будоражит воображение. Это еще раз напоминает нам: Вселенная полна сюрпризов, и самые фундаментальные ее законы, возможно, ждут своего часа, чтобы открыться нам в новом, неожиданном свете. А вы знали, что даже самые, казалось бы, устоявшиеся теории могут быть поставлены под сомнение одной смелой идеей? Вот она, настоящая наука в действии!