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.

---

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.

Удвоение усилий

Действительно, физически никто не пострадал. Но моральный ущерб был огромным. Роберт Аймар – французский физик, бывший в то время генеральным директором ЦЕРНа, – выпустил пресс-релиз, в котором говорилось: «Авария, случившаяся сразу после очень успешного начала работы БАКа 10 сентября, вызвала, несомненно, психологический шок». После стольких лет тяжелой подготовительной работы подойти так близко к долгожданному моменту запуска БАКа и из-за какой-то досадной неполадки пережить крушение всех надежд!

Но это история со счастливым концом. Как ни велико было разочарование, охватившее команду ЦЕРНа после взрыва 19 сентября, задача восстановления БАК только сплотила всех. Инженеры и физики бросились проверять и усиливать каждый узел машины, чтобы она выдержала те беспрецедентно высокие энергии, которые они собирались получить. Дело было не просто в том, чтобы подкрутить несколько винтов: требовалось не только отремонтировать поврежденное оборудование, но и все остальные детали машины довести до более высокого стандарта качества. И вот, несмотря на множество трудностей, не прошло и года, как ускоритель был готов к повторному запуску.

Официально должность Майка Ламона называлась «координатор БАКа», но фанаты «Звездного пути» однажды назвали его «Мистером Скоттом с БАКа[3]». Он проработал в ЦЕРНе более 23 лет, в его обязанности входило поддержание пучка протонов в рабочем состоянии даже в тех случаях, когда для этого возникали казалось бы непреодолимые препятствия. Крошечные неполадки, конечно, происходят все время, но по мере того, как день повторного запуска БАКа приближался, каждый чих представлялся смертельной болезнью. Например, во время испытаний 3 ноября 2009 года температура на некоторых магнитах начала расти из-за электрической неисправности на одной из электростанций на поверхности. Неисправность быстро ликвидировали, и Ламот объяснил любопытным репортерам, что проблема возникла из-за крошечного кусочка хлеба, упавшего на электрошину – видимо, пролетавшая птица выронила из клюва. Работа на ускорителе шла как обычно, но репортеры все-таки сумели раздуть сенсацию. The Telegraph напечатал фотографию детектора CMS рядом с фотографией голубя с подписью «Большой адронный коллайдер (слева) и его заклятый враг (справа)».

20 ноября 2009 года по трубам БАКа впервые с момента аварии полетели протоны. Через три дня пучки направили навстречу друг другу, чтобы увидеть первые столкновения. А всего лишь через семь дней после этого энергию в ускорителе подняли до такой величины, что БАК тут же вышел на первое место по энергии столкновений среди всех когда-либо построенных ускорителей.

Обычным графиком предусматривалось, что в течение большей части зимы из соображений экономии БАК не работает – в эти месяцы электричество в Женеве дороже, чем в другие периоды года. Но в 2009/2010 в команде ускорителя царило такое нетерпение, что график изменили. Ускоритель проработал зиму, и первые значимые данные (уже не «эксплуатационные», которые используются для тестирования установки) получили уже в начале 2010 года. В марте 2010 года энергия БАКа была поднята до запланированного промежуточного значения (половины максимального уровня энергии), что составило рекордную величину для столкновений частиц высоких энергий. Шампанское вновь потекло рекой.

Оглядываясь назад, можно сказать, что авария, произошедшая в сентябре 2008 года, помогла физикам и техникам БАКа намного лучше изучить свою машину, и в результате, начиная с 2010 года, физические исследования на ускорителе шли без существенных перерывов. Учитывая, что до 2010 года серьезных экспериментов на БАКе по сути не проводилось, почти для всех стало полнейшей неожиданностью то, что уже к июлю 2012 года было собрано и проанализировано достаточно данных для обнаружения бозона Хиггса. Представьте, что вы купили дорогой автомобиль, который почти сразу сломался. Вам пришлось бы потратить время, чтобы найти некоторые досадные неполадки и исправить их, но как только вы справитесь с этим, выедете на автостраду и надавите на газ, вы почувствуете, что взлетаете.

Большой адронный коллайдер – это в чистом виде Большая наука. Количество подвижных частей – как живых, так и механических – может испугать, а может и удручить. Лауреат Нобелевской премии Джек Стейнбергер заметил: «БАК – это символ того, как трудно в наши дни добиться существенного продвижения в науке. Какая огромная разница с моими аспирантскими годами, когда 65 лет назад я в одиночку за полгода смог проделать эксперимент, и он оказался важным». БАК – это самая крупная и наиболее сложная машина из всех конструкций, построенных людьми, и иногда удивляешься, что она вообще работает.

Но она работает и работает на редкость хорошо. Физики, с которыми я беседовал, когда писал эту книгу, снова и снова говорили о потрясающих масштабах проекта, но их восхищал не только он. По их мнению, ЦЕРН можно рассматривать в качестве модели крупномасштабного международного сотрудничества. Джо Инкандела сказал однажды: «Меня поразило, что у нас работают бок о бок ученые из 70 стран мира – палестинцы и израильтяне, иранцы и иракцы. Такое сотрудничество во имя Большой науки следовало бы взять за образец для подражания». Джо Ликкен – американский физик-теоретик из лаборатории Ферми – грустно сказал: «Если бы только ООН могла работать как ЦЕРН, мир был бы намного лучше».

Если считать, что изучение частиц, подобных бозону Хиггса, требующих для своего рождения огромного количества энергии, – цель, оправдывающая затраты, то единственный способ достичь этой цели – развивать эту Большую науку. Существует море фантастически интересной науки, которой нужно заниматься, и это можно делать с помощью недорогих лабораторных экспериментов, но открытие новых тяжелых частиц – не из этой категории. Сейчас БАК является единственным в своем роде инструментом для занятий такого рода научной деятельностью, и то, что он работает, свидетельствует о необыкновенной человеческой изобретательности и настойчивости.

Подготовка проекта

БАК – это апофеоз человеческой способности все точно спланировать и спроектировать. Физики ЦЕРНа ко времени создания проекта уже довольно долго мечтали о гигантском протонном коллайдере, но первые «официальные» дискуссии о том, чем в конечном счете должен стать БАК, прошли на семинаре в Лозанне (Швейцария) в марте 1984 года. Те, кто был занят разработкой проекта, знали, что в США рассматривается похожий проект, который в конечном счете должен был стать Сверхпроводящим суперколлайдером (ССК), и исходя из этого, должны были решить, имеет ли смысл тратить ограниченные ресурсы на европейского конкурента. (Тогда еще никто не знал, что проект ССК в конечном итоге будет закрыт.) В отличие от проекта ССК, который был новым объектом, и его строительство начиналось с нуля, коллайдер БАК предполагалось поместить внутри готового туннеля, уже выкопанного для ускорителя LEP, что накладывало ограничения на его размеры и мощность. В результате предполагаемое значение энергии для БАКа составило 14 ТэВ, то есть чуть больше одной трети соответствующего показателя для ССК (40 ТэВ). Зато на БАКе предполагалось получать ежесекундно больше столкновений, и кроме того, плнировалось, что он будет дешевле. При благоприятном стечении обстоятельств и везении могло оказаться, что все интересные физические явления происходят при энергиях, меньших 14 ТэВ, и, таким образом, более высокие энергии, на которые был рассчитан ССК, стали бы не нужны.

Больше всего для продвижения проекта БАКа сделал итальянский физик Карло Руббиа, смелый человек и великолепный экспериментатор, получивший в 1984 году Нобелевскую премию за открытие W– и Z-бозонов. Руббиа был чрезвычайно влиятельной фигурой, его хорошо знали благодаря не только достижениям в науке (весьма значительным), но и волевому характеру. Именно он добился строительства в ЦЕРНе в 1981 году первого протон-антипротонного коллайдера ISR, концепция которого позже будет принята и в Фермилабе при строительстве Теватрона. (При проектировании БАКа вернулись к идее столкновения протонов друг с другом, поскольку создание нужного количества антипротонов для получения требуемого числа столкновений оказалось слишком сложной задачей.)