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.

---

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.

В 1987 году Боб Парк, бывший в то время исполнительным директором отдела APS (Американского физического общества) по связям с общественностью, сказал, что проект ССК «пожалуй, самый спорный из всех, расколовших физическое сообщество». Филип Андерсон из Принстона, уважаемый физик, специалист в области физики конденсированных сред, получивший Нобелевскую премию в 1977 году, заявил, что масштаб «результатов, полученных в физике элементарных частиц, совершенно не соответствует не только реальным затратам, но и несравним с масштабом результатов, полученных в других науках», и хотя ССК – хороший проект с научной точки зрения, деньги, которые он требует, лучше бы потратить на развитие других направлений науки. Джеймс Крумхансл, ученый-материаловед из Корнелла, который должен был стать следующим президентом APS, считал, что проект забирает деньги из более рентабельных областей исследований и с разработкой нового ускорителя частиц нужно подождать, пока технологии изготовления сверхпроводниковых магнитов не усовершенствуются. Кроме всего прочего, физики, занимающиеся элементарными частицами, часто сами себе вредили, хвастаясь перед коллегами своими достижениями в других областях, которые они считали побочными продуктами развития ускорителей, например, в магнитно-резонансной томографии. Николас Бломберген – еще один лауреат Нобелевской премии и президент APS – в 1991 году заявил: «Как один из пионеров в области магнитного резонанса, могу заверить вас, что он возник из физики микрообъектов».

Под натиском проблем, связанных с бюрократическим контролем, бюджетными проблемами и определением приоритетов в науке, немного отошли на второй план более важные вопросы о значении фундаментальных исследований и ценности собственно открытий самих по себе. В 1993 году в США избрали нового президента, сменились и многие конгрессмены, и новые поклялись народу взять государственные расходы под строгий контроль. Берлинская стена и Советский Союз рухнули, окончилась холодная война, а с ней и сопровожшее ее соревнование за технологическое превосходство. Роль физики высоких энергий в национальной политике, достигшая своего апогея во время Второй мировой войны в ходе выполнения Манхэттенского проекта, все последующие годы постепенное снижалась. Большинство думающих людей согласятся с тем, что задача лучшего понимания устройства Вселенной является важной, но не менее важно организовать адекватную медицинскую помощь и рабочие места для граждан страны. Выбрать здесь приоритеты и сбалансировать их между собой было не легко даже в самые благополучные времена.

После того как ССК был закрыт навсегда, отведенная для него земля и объекты инфраструктуры передали штату Техас, который очень долго пытался продать их частным владельцам. Это, наконец, удалось в 2006 году, когда миллионер из Арканзаса по имени Джонни Брайан Хант приобрел участок за 6,5 миллионов долларов. Хант хотел превратить комплекс ССК в супербезопасные информационные центры (дата-центры). Лаборатория ССК уже была оборудована силовыми и телекоммуникационными линиями, место тщательно выбиралось подальше от эпицентров возможных землетрясений и наводнений. Но в конце того же года 79-летний Хант поскользнулся на льду, сиьно ударился головой и умер. Планы по организации дата-центра были забыты, а участок под ССК снова оказался заброшенным. По сведениям на 2012 год, комплекс сегодня принадлежит владельцу химических заводов, который надеется построить там новый химический завод, но соседи возражают против этого. Какой бы ни была дальнейшая судьба лаборатории ССК, Ваксахачи уже никогда не сыграет важную роль в поиске бозона Хиггса.

Как многие и предсказывали, закрытие проекта ССК не привело к увеличению финансирования в других областях науки. Более того, те же самые конгрессмены, которые с таким энтузиазмом недавно голосовали за урезание расходов, с удовольствием стали распределять высвободившиеся деньги. В этой грустной истории был, однако, один бенефициант: Большой адронный коллайдер. Американские физики, которым власти отказали в постройке своей супермашины, успешно пролоббировали повышение участия США в проекте БАКа. Вливание американских денег сильно помогло продвинуть проект коллайдера и сохранить надежду на то, что бозон Хиггса когда-нибудь все-таки удастся поймать.

Глава 5 Величайшая машина всех времен

Мы посетим Большой адронный коллайдер – символ триумфа науки и техники, сыгравший важную роль в поисках и обнаружении бозона Хиггса.

10 сентября 2008 года началась большая жизнь Большого адронного коллайдера. Первые протоны успешно проделали весь путь по кольцу. Тысячи физиков всего мира были счастливы. Полетели в потолок пробки шампанского, сотрудники ЦЕРНа радостно похлопали друг друга по спине, произнесли пологающиеся в этом случае речи, и наступила новая эра грандиозных открытий.

А девять дней спустя коллайдер взорвался.

Не весь, конечно. БАК помещается в кольцевом туннеле, вырытом на глубине около 100 м. Он образует кольцо с длиной окружности примерно 26,7 км, пересекающее франко-швейцарскую границу в пятнадцати минутах езды от центра Женевы. Чтобы взорвалась такая махина, нужен какой-то невероятный катаклизм. Но с отдельными ее частями это вполне может произойти.

Для того чтобы БАК работал, внутри должно быть очень холодно. Машина гоняет пучки протонов по двум отдельным пучковым трубам: в одной пучок движется по часовой стрелке, в другой – против, пучки могут столкнуться в определенных местах – там, где расположены детекторы. Обе пучковые трубы окружены сверхмощными магнитами, задача которых искривлять траекторию протонов так, чтобы они оставались на правильном пути.

Магнитное поле создать легко: нужно просто пропустить электрический ток через виток проволоки. Чтобы получить сильные поля, требуется большой ток. Но большинство материалов, даже высококачественные провода, оказывают некоторое сопротивление току. Проблема состоит в том, что провод начинает нагреваться и в конце концов плавится. Для борьбы с этой проблемой провода охлаждают до невероятно низкой температуры, тогда они становятся сверхпроводящими. Сверхпроводник не имеет никакого сопротивления вообще, так что при прохождении через него тока его температура не повышается. БАК является самым крупным холодильником в мире (с большим отрывом от остальных), и охлаждение его магнитов достигается с помощью жидкого гелия, температура в котором поддерживается на уровне 1,9 градуса Кельвина (минус 271 градус по Цельсию) выше абсолютного нуля – самой низкой возможной температуры.

Но все время нужно следить: при малейшем увеличении температуры гелия провода магнитов тут же перестанут быть сверхпроводящими. Если это произойдет, огромные электрические токи, проходящие через них, встретят сопротивление, и в результате нагреют провода еще больше. От них, в свою очередь, нагреется гелий, и процесс выйдет из-под контроля, при этом жидкий гелий вскипит, превратится в газ и взорвется в своих контейнерах. Когда БАК работает, магниты всегда на волоске от катастрофы.

Такое катастрофическое развитие событий на профессиональном языке называется квенчем магнита. 19 сентября 2008 года незначительная, казалось бы, неисправность в электрическом контакте вызвала квенч в одном магните, а затем процесс быстро распространился на другие, соседние магниты. Лин Эванс, в то время бывший главой БАКа, сидел в это время в офисе для персонала и спорил по какому-то довольно тривиальному вопросу, когда зазвонил его мобильный. Эванса просили немедленно прийти – случилось что-то серьезное. «Это был ужас! – вспоминал Эванс, – я никогда не видел подобного даже на экране компьютера. Везде мигали красные сигналы тревоги».

Виновник неисправности был в конечном счете найден – им оказался плохой контакт в сверхпроводящем соединении, в результате чего возникла электрическая дуга, пробившая гелиевый дьюар. Из 1232 магнитов, направляющих протоны вдоль кольца БАКа, более пятидесяти пришлось заменить. Первоначально в докладах ЦЕРНа авария была охарактеризована как «утечка» гелия, но в данном случае больше подходит термин «взрыв». Более шести тонн жидкого гелия в течение нескольких минут было выброшено в туннель, давление там поднялось так резко, что магниты просто вырвало из пола, к которому они были прикручены болтами. Техника безопасности запрещает сотрудникам быть в туннеле БАКа, когда там циркулируют протоны, и хотя во время инцидента пучки были отключены, к счастью, на поврежденном участке в то время никого не было и никто не пострадал.