Текст книги "Тончайшее несовершенство, что порождает всё. Долгий путь частице Бога и Новая физика, которая изменит мир"

Запад играет в “Завоевание мира”[57]57
  Французская настольная игра, придуманная в 1957 г. В Италии известна под ее немецким названием Risiko.


[Закрыть]: Европа и США

Европейская стратегия в области физики высоких энергий абсолютно ясна. Прежде всего надо в полной мере воспользоваться тем потенциалом открытий, которым обладает LHC. Исследование новой энергетической области на самом‑то деле только-только начинается. Ускоритель вернулся к работе в 2015 году с рекордной энергией в 13 ТэВ, и в ближайшие годы должен произвести огромный массив данных, в десятки раз превосходящий тот, что привел к открытию бозона Хиггса. С этого момента до 2025 года, как ожидается, будет набрана статистика порядка 300 fb^-1. Первые признаки присутствия Новой физики в масштабе тераэлектронвольт должны были бы появиться уже в первый год его работы, когда LHC соберет первые 100 fb^-1.

В 2018 году нас ждет поворотный момент: результаты, полученные к этому времени, определят, что нам делать дальше. Если мы получим свидетельства Новой физики, то будем проектировать новые ускорители, нацеленные на уточнения в тех диапазонах энергии, где появятся новые частицы. Если же, напротив, никаких открытий не будет, то мы, во‑первых, станем увеличивать точность измерений, а во‑вторых, снова собравшись с силами, устремимся к выполнению очередного энергетического скачка. В этом случае нам понадобится самый мощный ускоритель, какой только нам смогут позволить технологические и финансовые ресурсы, чтобы отодвинуть границу исследований как можно дальше.

А пока мы, затаив дыхание, с надеждой анализируем результаты первых экспериментов при 13 ТэВ; к тому же уже вовсю идет работа по улучшению нашего ускорителя и детекторов. Цель в том, чтобы еще больше повышать светимость и собирать данные с перспективой в 3000 fb^-1. Эту стадию высочайшей светимости называют HL–LHC (High Luminosity LHC[58]58
  Большой адронный коллайдер на высокой светимости (англ.). Эти планы сейчас перенесены на 2040–2042 гг.


[Закрыть]), и она охватит период с 2025 по 2035 год. Так что у LHC впереди долгая жизнь, которая будет посвящена систематическому исследованию Новой физики, – благодаря тому, что на нем либо будут непосредственно открывать новые частицы, либо займутся исследованием значимых отклонений от предсказаний Стандартной модели. LHC надо будет работать как настоящей фабрике по производству бозонов Хиггса и топ-кварков. В случае отсутствия прямых сигналов Новой физики обширная статистика, собираемая HL–LHC, позволит все‑таки точно измерить решающие параметры Стандартной модели, что, возможно, поможет отыскать косвенные указания на новые явления.

Между тем стартовал проект Будущего кольцевого коллайдера (FCC – Future Circular Collider), европейский ответ на инициативы Китая и Японии, касающиеся новых ускорителей. FCC – это международная исследовательская группа, созданная с целью проведения концептуального дизайна (определение инфраструктуры и оценка затрат) для будущего 100‑километрового ускорителя, который будет построен в ЦЕРН. Проект предусматривает протон-протонный коллайдер с энергией 100 ТэВ (FCC-hh) и возможность использования – на первом этапе – основной инфраструктуры для электрон-позитронных столкновений (FCC-ee).

Предложение родилось в 2014 году и тут же получило значительную поддержку со стороны международного сообщества физиков. В работе исследовательской группы в настоящее время принимают участие сотни ученых из десятка стран. Заключительный отчет предусмотрен на 2018 год, и он должен будет заложить основу для выработки новой европейской стратегии в области ускорителей частиц. К этому времени мы ожидаем принятия решений, которые обозначат направление развития физики в первой половине этого века[59]59
  Под “заключительным отчетом” автор подразумевает обновленный вариант Европейской стратегии в области физики частиц, который был подготовлен к 18 декабря 2018 г. и одобрен в июне 2020‑го. Этот вариант предусматривает 35‑летние циклы создания и эксплуатации FCC-ee на первом этапе и FCC-hh – на втором. В дальнейшем предполагается реконструкция FCC-hh в гибридный вариант FCC-eh, пригодный для ускорения и протонов, и электронов (позитронов).


[Закрыть].

Даже просто вырыть такой большой тоннель в этом месте – уже задача не из легких. Новый ускоритель должен будет расположиться под всей Женевой, включая озеро Леман, на глубине от 200 до 400 м. При этом надо непременно избежать многочисленных водоносных горизонтов и по максимуму воспользоваться устойчивыми геологическими слоями, лучше пригодными для проходки. Предстоит извлечь миллионы тонн горной породы и каким‑то образом рассеять их в регионе с плотной городской застройкой, а также предусмотреть колодцы доступа 400‑метровой глубины, найти адекватные средства передвижения для транспортировки людей и грузов на расстояния в десятки километров… и сделать еще много другого. Зато преимуществом этого места является доступ к развитой инфраструктуре: цепи ускорителей ЦЕРН вплоть до LHC, которые могли бы выступить в качестве инжекторов, и электроэнергетическая сеть, способная удовлетворить все потребности нового ускорителя.

С физической точки зрения последовательное использование двух ускорителей, FCC-ee и FCC-hh, представляется на данный момент оптимальной конфигурацией. Ускоритель электронов можно было бы построить сразу, как только будет готов тоннель. Для этого можно будет использовать имеющиеся технологии, а промышленное изготовление магнитов и резонаторов осуществлять параллельно с рытьем тоннеля. Детекторы не потребуют серьезных модификаций по сравнению с теми, что уже были сделаны на LHC. С оптимизмом глядя в будущее, можно ожидать принятия решения уже в 2018 году, начала строительства – в 2023‑м, а запуска – в 2035‑м, как раз в конце этапа высокой светимости на LHC.

Но вот протонный ускоритель – машина значительно более сложная, для которой потребуется многолетнее налаживание производства магнитов в промышленном масштабе. Сценарий, предусматривающий начало перехода к FCC-hh в 2040 году, позволил бы поработать над лучшими решениями для сверхпроводящих магнитов, которым суждено стать сердцем всего предприятия. С другой стороны, те же детекторы для нового ускорителя крайне сложны: понадобятся новые технологии и по меньшей мере десять лет разработок, прежде чем удастся начать промышленное производство различных их компонентов.

Физическая программа FCC-ee сфокусирована на точных измерениях параметров бозона Хиггса, топ-кварка и других фундаментальных параметров Стандартной модели. Предусматривается работа ускорителя при 90 ГэВ для производства большого количества Z-бозонов, чтобы затем повысить энергию до 160 ГэВ для генерации пар W-бозонов, потом повысить ее еще раз – до 240 ГэВ, для производства бозонов Хиггса в связке с Z-бозоном, и, наконец, достичь 350 ГэВ для получения пар топ-кварков. Для измерения констант связи бозона Хиггса с другими частицами FCC-ee позволит достичь относительной погрешности в пределах от 1 % до 0,1 %.

При 100 ТэВ на FCC-hh было бы возможно исследовать масштаб энергий, в семь раз превышающий LHC. Всякое новое состояние материи с массой от нескольких ТэВ до нескольких десятков ТэВ можно будет идентифицировать напрямую; вдобавок можно будет выяснить, элементарен ли бозон Хиггса или у него есть внутренняя структура, а также станет возможно изучить те детали спонтанного нарушения электрослабой симметрии, которые обладают определяющим значением для окружающего нас мира. Высокая светимость FCC-hh, до десяти раз превышающая светимость LHC, позволит наконец производить миллионы бозонов Хиггса, распространив с помощью FCC-ee точные измерения на те параметры частицы, которые до того было сложно измерить.

К сожалению, стоимость этой чудесной программы чрезвычайно высока. Точно ее оценить сложно, но можно смело предположить, что общая сумма окажется в пределах от 15 до 20 миллиардов евро. Также нельзя недооценивать многочисленные технические сложности. Прежде всего это касается производства сверхпроводящих магнитов с индукцией поля на 16 или 20 Тл. ЦЕРН руководит исследованиями, целью которых является получение первых реалистических прототипов уже к 2018 году. Также сложные задачи возникают в связи с управлением пучками высокоэнергетических частиц и увеличением среднего времени жизни этих пучков, с организацией системы охлаждения, отводящей тепло, которое возникает из‑за излучения в вакуумных трубках, с организацией систем защиты и с минимизацией радиационного износа компонентов ускорителя. Следует также помнить, что и сами детекторы на FCC-hh по сложности на порядок превосходят те, что разрабатывались для LHC, а поэтому требуют следующего технологического скачка.

Не вызывает, однако, сомнения, что, реализуя проект FCC, Европа заявляет о своих притязаниях и вступает в мировое соревнование за ускоритель будущего. А вот кто в этой истории старается держаться ниже травы тише воды, так это Соединенные Штаты. Те самые, которые когда‑то были безусловным лидером в данной сфере, а теперь, хоть и принимают некоторое участие в европейских, китайских или японских инициативах, так и не предложили ни какой‑то своей альтернативы, ни размещения у себя какой‑либо из обсуждающихся инфраструктур.

Единственное оригинальное предложение, исходящее от группы американских физиков, предусматривает возвращение к теме Уоксахачи (города, соседствующего с Далласом, в окрестностях которого планировалось рыть тоннель под SSC). Коллеги из США рекомендуют соорудить здесь тот самый протонный ускоритель на 100 ТэВ, который европейцы планируют строить вблизи Женевы.

Идея заключается в том, чтобы, используя десятки километров, уже прорытые для SSC, быстро довести длину тоннеля до 87 км и устроить там фабрику бозонов Хиггса – электрон-позитронный ускоритель с энергией 240 ГэВ, подобный FCC-ee. А потом – благо геологические условия Техаса позволяют – прорыть тоннель на 270 км и, оборудовав его магнитами на 5 Тл по хорошо известной технологии, достичь 100 ТэВ в протонном ускорителе. В тоннеле на 87 км можно также разместить инжектор на 15 ТэВ для протонного ускорителя. Ну а позднее, когда станут доступны технологии изготовления магнитов на 15 Тл, снабдить ими 270‑километровый тоннель – для получения энергии в 300 ТэВ.

Сторонники этого проекта настаивают, что он, несмотря на свои огромные размеры, будет куда экономичнее FCC. Но этот вариант, являясь, безусловно, весьма интересным, пока не рассматривался в качестве серьезной альтернативы другим предложениям.

В погоне за приоритетом

Сейчас в научной политике, причем на международном уровне, происходят, так сказать, “большие маневры”, и связаны они с программами постройки новых ускорителей.

Во-первых, как уже было сказано, США, похоже, согласились играть в дальнейшем роли второго плана. Сначала они обожглись в истории с SSC; потом парочку серьезных ударов нанес им ЦЕРН. Открытие W– и Z-бозонов, а затем еще и бозона Хиггса, по‑видимому, отправили их в нокаут, так что у них нет больше то ли сил, то ли желания хоть как‑нибудь реагировать. Но, несмотря на это, США остаются одним из лидеров в области новых технологий, а их достижения в других отраслях знания – в астрофизике, в космических исследованиях – по‑прежнему неоспоримы. Складывается впечатление, что американцам не по душе делать значимые инвестиции в те сферы науки, где, как они считают, их превосходство утрачено навсегда.

Совершенно по‑другому ведут себя “азиатские тигры” – Япония, Южная Корея и, конечно же, Китай. Эти страны, расположенные в наиболее динамично развивающейся части планеты, удивительно успешны и в том, что касается физики высоких энергий.

У Японии существует тут своя долгая традиция, и список нобелевских премий, полученных ее учеными за последние шестьдесят пять лет, убедительное тому доказательство. Корея и Китай включились в гонку относительно недавно, но достигнутый ими прогресс впечатляет. В особенности это относится к Китаю, который поначалу был малозаметен, но затем стал выдавать научные результаты один за другим. Чтобы усилить свое сообщество физиков, работающих в сфере высоких энергий (на тот момент весьма небольшое), государство пригласило из‑за границы лучших исследователей китайского происхождения. Тем из них, кто трудился в наиболее престижных американских университетах, оно предложило вполне сопоставимые зарплаты и фонды для проведения исследований. Чтобы создать китайские проекты новых ускорителей, правительство привлекло к участию в них наиболее известных исследователей, а молодым физикам из Америки и Европы, склонным к преподавательской деятельности, были предложены кафедры в местных университетах.

Инвестиции в фундаментальные исследования растут в Китае год от года. В процентном выражении этот рост таков, о каком мы, европейцы, которым приходится вести борьбу за выживание на фоне постоянного сокращения бюджетов, не смеем даже и мечтать. С 2000 по 2010 год они удвоились, и сегодня Китай тратит на научные исследования и опытно-конструкторские разработки больше, чем вся Европа.

Помимо прочего, в Китае запустили амбициозную программу космических исследований, включающую создание орбитальной научной станции и серию полетов на Луну. Венцом этой программы должен стать пилотируемый полет на наше ночное светило. В КНР ежегодно открывается несколько новых университетов и появляются важные инфраструктуры нейтринной физики, в том числе новая подземная лаборатория.

Китайский правящий класс демонстрирует понимание того, что инвестиции в фундаментальную науку откроют стране дорогу в мировую технологическую элиту. При этом китайцы хотят не только участвовать, но и стать первыми; они намерены добиться стратегического превосходства, сделаться научной супердержавой, ведущей за собой мир.

Если сегодня у Европы неоспоримое лидерство в физике высоких энергий, то это благодаря преимуществам научной подготовки в лучших университетах, старым традициям в активно работающих организациях вроде ЦЕРН, системам исследовательских центров и сети национальных лабораторий. У нас есть все условия для поддержания и укрепления этого приоритета. Но нам также требуется единое политическое руководство, которое не делилось бы на национальные группы и помнило о далекой перспективе развития нашего континента. Однако, к сожалению, слишком многие стратегические решения в Европе диктуются политическими случайностями или напрямую зависят от экономической конъюнктуры той или иной страны. Поэтому нужно, чтобы утвердился совершенно иной подход, нужно, чтобы европейский проект общества, устремленного в будущее, был принят в качестве своего рода конституционного пакта. Европа должна наращивать инвестиции в фундаментальные исследования, укрепляя университеты и исследовательские центры. Только вкладываясь в образование и обеспечивая появление новых поколений ученых, можно поддерживать прогресс и развитие. Задача государства – активно финансировать фундаментальные исследования, а задача промышленности – развивать прикладные исследования; необходимо использовать результаты общего познания и привлекать к работе наиболее талантливых выпускников университетов.

У Европы нет будущего без последовательных и непрерывных инвестиций в науку. Ибо ее превосходство в области физики высоких энергий подвергается сегодня большим рискам.

Глава 10
Книга бытия. Версия 2.0

Кардиналы и иезуиты против мультиверсума

ЦЕРН,

3 июня 2009 г.

Сегодня мы с Джоном Эллисом – главные в доме. Мы принимаем представителя одного очень не похожего на другие государства. В нем живет всего 836 человек, а его территория составляет всего 0,44 км²; меньше не бывает, однако эта страна играет в мире очень важную роль – речь идет о Ватикане. Возглавляет делегацию кардинал Джованни Лайоло, губернатор Ватикана, своего рода премьер-министр, который управляет государством-градом Ватикан от имени понтифика. Визит одновременно и официальный, и научный. Кардинала сопровождает апостольский нунций Женевы и два наиболее видных ученых этого крошечного государства, два иезуита – оба астрономы: Хосе Габриель Фунес, директор престижной Ватиканской обсерватории, и Ги Консолманьо[60]60
  Ги Консолманьо сменил Хосе Габриеля Фунеса на посту директора Ватиканской обсерватории в сентябре 2015 г.


[Закрыть], куратор коллекции метеоритов Ватиканской обсерватории, одной из самых уважаемых в мире. Одна из целей визита – обсуждение возможности, что со временем Ватикан присоединится к ЦЕРН в качестве наблюдателя (это первая стадия процедуры включения в ЦЕРН нового члена). Вот почему делегация настолько представительная, а программа визита, кроме протокольных формальностей, включает еще и развернутую дискуссию на интересующие всех нас научные темы. Утром мы посетили CMS и вычислительный центр ЦЕРН, а после обеда оказались в малом конференц-зале, используемом для небольших семинаров: зал А строения 61.

У Ватикана есть государственная исследовательская инфраструктура, решающая задачи в сфере астрономии и космологии. Ватиканская обсерватория располагает двумя телескопами. Старый находится в городке Кастель-Гандольфо, где помещается летняя папская резиденция, а новый, VATT (The Vatican Advanced Technology Telescope[61]61
  Ватиканский телескоп передовых технологий (англ.).


[Закрыть]), расположен на горе Грэм в штате Аризона (США), лучшем месте для астрономических наблюдений в Северной Америке. VATT – это современный телескоп-рефлектор с главным зеркалом около двух метров в диаметре; первый оптико-инфракрасный телескоп Ватиканской обсерватории.

Ватиканская обсерватория – одна из старейших в мире. Она была основана в конце XVI века, когда папа Григорий XIII почувствовал необходимость в более точных наблюдениях и вычислениях для календарной реформы, носящей его имя. Он обратился к иезуитам Римской коллегии, где тогда работали лучшие физики, астрономы и математики, и для проведения ими нужных наблюдений велел построить башню высотой в 73 метра, известную теперь как Башня ветров[62]62
  По-русски Башню ветров также часто называют Григорианской башней. Она расположена над Галереей географических карт, соединяющей Бельведер с Апостольским дворцом в Ватикане.


[Закрыть]. Несмотря на все перипетии ватиканской истории, обсерватория оснащалась все более и более совершенными инструментами, которые иногда устанавливались в Башне ветров, а иногда в Римской коллегии. В прошлом веке, когда световое загрязнение стало слишком сильным, папа Пий XI решил перенести обсерваторию в Кастель-Гандольфо в Альбанских горах, в 25 километрах от Рима, где она находится и сегодня.

А сейчас мы в ЦЕРН, сидим вокруг овального стола и разговариваем о физике. Для начала речь заходит о темной материи. Фунес и Консолманьо хотят знать, какие у нас есть программы по прямой регистрации суперсимметричных частиц, которые могли бы навести нас на нейтралино. Джон Эллис набрасывает схему наиболее простых суперсимметричных моделей, а я подробнейшим образом объясняю, какие у нас организованы исследования. Потом разговор касается Большого взрыва, электрослабого фазового перехода, инфляции… Направляет беседу и задает вопросы отец Фунес, а кардинал Лайоло ограничивается тем, что слушает и кивает. Мы с Джоном сначала очень осторожны; мы знаем, что темы весьма деликатные, и ни в коем случае не хотим даже каким‑то пустяком задеть чувства наших собеседников. Поэтому мы стараемся избегать любых неловкостей и не спускать, так сказать, руку с тормоза. Но вот нам задан прямой вопрос: “А что вы думаете о мультиверсуме?” И мы вдруг понимаем, что весь предшествующий разговор был лишь прелюдией именно к этому вопросу. Сейчас нам наверняка придется горячо спорить с собеседниками, отстаивая мысль о том, что наша Вселенная не единственная и что существует гипотетическое множество параллельных вселенных. Это вопрос, ответ на который, если он окажется положительным, будет иметь не только научные, но и, как несложно себе представить, теологические последствия. Те острые углы, которые мы из чувства уважения старались всячески обходить, как оказывается, интересовали представителей Ватикана более всего. С этого момента разговор становится довольно напряженным, и мы проводим целый час в обсуждении теории струн, перманентной инфляции, вакуумного состояния и десятимерности нашей Вселенной. Коллеги-иезуиты прекрасно осведомлены по всем этим вопросам и ориентируются во всех их тонкостях; они просто хотят противопоставить свои мнения нашей точке зрения. Хотят проверить, как обстоят дела с жаждой познания у истинных исследователей – бесстрашных, лишенных самоцензуры, полностью свободных.

В конце встречи я, внезапно для самого себя, прерываю поток любезностей, которыми мы обмениваемся напоследок, и говорю: “Это была прекрасная беседа. Если бы Галилей видел и слышал нас сегодня, он остался бы очень доволен”. И кардинал Лайоло, пожимая мне руку, радует меня, преподнеся чудесный подарок. Он произносит: “Кстати о Галилее. Вы не хотели бы побывать у нас в Ватикане? Я был бы счастлив показать вам автографы его писем, которые хранятся в наших архивах, – эта привилегия доступна немногим”.

К сожалению, я был так занят несколько последних лет, что так пока и не воспользовался его бесценным приглашением, но рано или поздно я это обязательно сделаю.

Что же до аргентинских иезуитов (а Фунес как раз один из них), то у них сложилась своя особая школа, для которой характерна давняя традиция открытости и интеллектуальной смелости. Во время посещения CMS Фунес рассказывал мне на своем безупречном итальянском о полученном им образовании: об учебе в университете Кордовы и об аспирантуре в Италии, в Падуе. Обсуждая интерес к науке у людей церкви, он поведал мне об одном аргентинском иезуите, который стал кардиналом. Это иезуит итальянского происхождения; когда Фунес решил стать иезуитом, кардинал экзаменовал его в Кордове. Они подолгу беседовали о физике, поскольку кардинал принадлежал к небольшому числу тех высокопоставленных церковных деятелей, кто обладает основательными научными познаниями. До того как получить диплом теолога, он получил диплом химика. Фунес говорил о нем очень проникновенно – как о великом человеке. Меня он в тот раз убедить не смог, однако годы спустя я вспомнил этот наш разговор – когда кардинал Бергольо был избран папой римским и принял имя Франциск.