Шон Кэрролл - Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира

• Название: Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира
• Автор: Шон Кэрролл
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2015
• ISBN: 978-5-9963-1368-6

Автор книги, известный американский физик-теоретик и блестящий популяризатор науки, рассказывает о физике элементарных частиц, о последних достижениях ученых в этой области, о грандиозных ускорителях и о самой загадочной частице, прозванной частицей Бога, о которой все слышали, но мало кто действительно понимает ее природу Перевернув последнюю страницу, читатель наконец узнает, почему эта частица так важна и почему на ее поиски и изучение свойств ученые не жалеют ни времени, ни сил, ни денег.

Лондонское Королевское научное общество назвало книгу лучшей научно-популярной книгой 2013 года.

---

Гордостью лаборатории Ферми был Теватрон – громадная машина, в которой сталкивались протоны с антипротонами при энергиях 2000 ГэВ. (Вспомним, что «ТэВ» означает один терраэлектронвольт, что составляет один триллион электронвольт или 1000 ГэВ.) Завершенный в 1983 году Теватрон был тогда ускорителем с самой высокой энергией в мире, пока этот титул не перешел в 2009 году к БАКу. Свой звездный час Теватрон пережил в 1995 году, когда на нем был открыт необычайно массивный истинный (top) – кварк. Гордон Уоттс из Университета Вашингтона, который был в то время аспирантом в лаборатории Ферми, вспоминает момент, когда сигнал поднялся выше важного порога «три сигма» (подробнее про него будет сказано в главе 9), что позволяло объявить об открытии новой частицы:

Мы собрались на одно из серии важных заседаний, где обсуждались результаты всех анализов, которые должны были вот-вот докладываться на ближайшей конференции. В каждом анализе наблюдался небольшой избыточный сигнал, но он был столь маленьким, что не выглядел особенно значимым. На самом деле примерно те же результаты демонстрировались достаточно регулярно, мы все привыкли к ним, и на этот раз проигнорировали. Заканчивалось одно из заседаний этого обычного марафона, комната была переполнена, я сидел на полу фактически в самом конце аудитории. Было жарко, и воздух в помещении был… ммм… тяжелым (мягко говоря). Мы уже ждали последнего выступления, но тут один из слушателей, который, видимо, вошел в аудиторию достаточно рано, раз ему достался стул, поднял руку и произнес:… «Э-э…, минуточку… я делаю самую простую операцию: складываю весь фон и все сигналы и получаю больше трех сигм». В аудитории наступила тишина, все вспоминали, что было сказано в докладах, и пытались понять, прав автор реплики или нет. И тут либо докладчик, либо председатель собрания открыл рот… и грязно выругался. Я думаю, у всех холодок пробежал по спине.

Но долгожданный бозон Хиггса оставался вне пределов досягаемости Теватрона. С меньшими энергией и светимостью, чем у БАКа, американская машина всегда была аутсайдером в этой гонке. И только после того, как LEP был отключен, а БАК еще не заработал, у сотрудников Фермилаба появились шансы на то, что они первыми найдут надежные свидетельства существования таинственной частицы. Однако им это не удалось – физики с Теватрона смогли только исключить некоторые диапазоны масс, в которых бозона Хиггса не могло быть.

30 сентября 2011 года Теватрон был отключен навсегда – у американцев не хватало денег, да еще заработал БАК, гораздо более мощный. Закончилась работа последнего крупного коллайдера частиц высоких энергий на территории США. (Релятивистский коллайдер тяжелых ионов в Брукхейвене выполняет важную работу для ядерной физики, но он – не конкурент в поисках новых частиц, поскольку его максимальная энергия меньше 10 ГэВ на нуклон.) Будет ли у него когда-нибудь преемник, пока не известно.

Суперколлайдер

Предполагалось, что у Теватрона будет преемник – Сверхпроводящий суперколлайдер (ССК), проект которого был одобрен президентом Рональдом Рейганом в 1987 году и который первоначально планировалось запустить в 1996 году. ССК был невероятно амбициозным проектом, предусматривающим сооружение совершенно нового кольца с длиной окружности примерно 87 км и полной энергией сталкивающихся протонов 40 ТэВ, что в двадцать раз выше, чем на Теватроне. Оглядываясь назад, можно сказать, что проект оказался, видимо, слишком амбициозным. В первые дни, когда место для лаборатории еще не было выбрано, поддержка проекта была почти единодушной: представители почти всех штатов в Конгрессе надеялась, что смогут заполучить масштабный проект для своего штата и похвастаться этим перед избирателями. 43 из 50 американских штатов восприняли конкурс настолько серьезно, что даже провели геологические изыскания и экономическую экспертизу. Победителем стал Техас, точнее, территория возле сонного городка Ваксахачи, расположенного примерно в 50 км к югу от Далласа.

Но после того, как место для ССК было выбрано, энтузиазм в отношении проекта у представителей оставшихся ни с чем 49 штатов в Конгрессе сразу угас. Это были годы усиления требований по введению контроля над дефицитом федерального бюджета, а стоимость ССК, и в начале немаленькая, выросла почти в три раза, до 12 миллиардов долларов. Дополнительным негативным фактором (если не в представлении ученых, то уж точно в головах правительственных чиновников) была конкуренция проекту Суперколлайдера со стороны другого гигантского проекта – Международной космической станции. Бюджет МКС составлял свыше 50 миллиардов долларов только на саму станцию, разрабатываемую в NASA, а если включить в общую стоимость полеты космических шаттлов, получалось более 100 миллиардов долларов. И это при том, что большая часть денег на этот гигантский проект также должна была в конечном итоге осесть в Техасе – в Джонсоновском космическом центре управления полетами.

Я спросил Джоан Хьюэтт, теоретика из лаборатории SLAC, когда она решила пойти туда работать. Джоан назвала точную дату – 21 октября 1993. Это был день, когда Конгресс проголосовал за то, чтобы окончательно похоронить проект ССК. Хьюэтт звали и в лаборатории Суперколлайдера, и в SLAC, и естественно, она предпочла бы работать в новой команде и окунуться в захватывающую атмосферу создания новой машины на стадии ее строительства. Все то осеннее утро она внимательно наблюдала по каналу C-SPAN за слушаниями в Конгрессе, с ужасом понимая, что обсуждение идет в неправильном направлении. Она провела день в рыданиях, а потом позвонила директору SLACа и приняла его предложение. Ее карьера сложилась вполне успешно, в Стэнфорде она строила новые модели в физике элементарных частиц и изобретала хитроумные способы их проверки на основании полученных экспериментальных данных. Но невозможно было не чувствовать разочарования из-за несбывшейся надежды получать эти данные не из чужой лаборатории, а прямо у себя, раньше всех и при гораздо больших энергиях столкновений.

Сам я в то время был свежеиспеченным постдоком, членом группы, занимавшейся теорией элементарных частиц в Массачусетском технологическом институте. Я помню, мрачную атмосферу на встрече, которую мы проводили, пригласив все физическое сообщество большого Бостона поговорить о том, что делать дальше. Некоторые вопросы были чисто научными, например есть ли альтернативный способ решения тех задач, для которых разработан ССК. Но в основном говорили о том, должны ли мы направить свои усилия на поддержку серьезных инвестиций со стороны США в БАК или правильнее продолжать бой за ССК, который, впрочем, был уже проигран. Некоторые из вопросов были даже еще более практическими: есть ли какие-то способы помочь найти работу, хотя бы временную, тем ученым, которые остались на улице после закрытия лаборатории ССК?

На момент закрытия проекта Суперколлайдера на него уже было потрачено $2 млрд, выкопана часть туннеля и создана часть необходимой инфраструктуры. Трудно точно понять главный мотив решения Конгресса по закрытию проекта, но известно, что чиновники часто жаловались на нежелание руководства ССК следовать принятым бюрократическим процедурам. Отчет 1994 года, составленный комитетом Конгресса после закрытия проекта, назывался: «Потеря контроля: уроки Сверхпроводящего суперколлайдера». Он содержал подробный перечень многочисленных фактов бесхозяйственности, в том числе постоянную недооценку затрат, невыполнение обязательных внутренних проверок, а также трудности ученых в общении с Конгрессом и самим министерством энергетики. Иногда критика звучали глупо, например, когда газеты сообщили, что лаборатория потратила 20 000 долларов на растения, а эта сумма, как оказалось, включала затраты на озеленение территории. Физиков, меж тем, раздражало, что их отвлекают на то, что им казалось бюрократическими проволочками. Рой Швиттерс, бывший в то время директором лаборатории ССК, раздраженно заявил репортерам: «Наше время и энергию откачивают бюрократы и политики. Мы на ССК становимся жертвой мести студентов-троечников». Оглядываясь назад, мы понимаем, что это была, возможно, не самая политически дальновидная формулировка.

Кроме всего прочего, внутри физического сообщества тоже шла борьба. В то время как физика элементарных частиц на свои исследования получила изрядное финансирование и сумела привлечь общественное внимание, на другие направления физики выделялись гораздо меньшие деньги, и широкая общественность ими почти не интересовалась. Только семь процентов членов Американского физического общества (APS) состоят в Отделении элементарных частиц и полей, остальные занимаются исследованиями в области конденсированных сред и материалов, атомной и молекулярной физики, оптики, астрофизики, физики плазмы, гидродинамики, биофизики или другими направлениями. В конце 1980-х и начале 1990-х годов многие физики, работавшие в этих областях, были изрядно раздражены непропорционально щедрым финансированием работ по физике элементарных частиц, и для них проект ССК стал символом серьезного искажения приоритетов.