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

Самый ответственный момент этого этапа – спуск в камеру центральной части CMS, самого тяжелого из всех фрагментов, весом в 2 000 т, состоящего из металла и чрезвычайно хрупких компонентов. Его надо было подвесить на стальных тросах и аккуратно опустить на сотню метров, причем так, чтобы внутри него не возникало даже малейших напряжений. Никто в мире еще не делал ничего подобного, и компании, специализирующейся на большегрузной подъемно-транспортной технике, пришлось разработать совершенно уникальную процедуру. От успеха этой операции зависело буквально все. Если бы ничего не вышло, то не было бы и CMS.

И вот наступает знаменательный день. Все на месте уже к пяти утра, чтобы не пропустить начала работы и в ужасе замирать при малейшем дрожании стальных канатов. Тут Джим Вирди, новый спикер от CMS, менее года назад сменивший на этом посту Мишеля, я, назначенный его заместителем, и Остин Болл, ответственный за строительство и технический координатор эксперимента. Чтобы преодолеть эти сотни метров, требуется много, ужасно много часов. Медленный, изнурительный, бесконечный спуск. Когда в 18.32 огромная конструкция касается наконец пола камеры, все с облегчением аплодируют и даже кричат от радости. Мы, как дети, прыгаем, обнимаемся и обнимаем техников и инженеров. Мы понимаем, что теперь у нас все получится. Ничто уже не сможет остановить CMS.

Ты знаешь, что бозон Хиггса открыли на LEP?

В те пятнадцать лет, что прошли с момента постройки LHC, открылось окно возможностей для обнаружения бозона Хиггса. В первый период работы LEP, когда ускоритель был ориентирован на изучение Z-бозонов, поиски бозона Хиггса давали отрицательные результаты и позволяли лишь установить нижний предел массы этой неуловимой частицы. Но исследования становились все более интересными по мере того, как в LEP увеличивали энергию столкновений. В период с 1995 по 2000 год, пока мы бились над созданием детекторов LHC, LEP достиг энергии 209 ГэВ. И тут произошло нечто из ряда вон выходящее.

До сих пор помню взволнованное выражение лица одного молодого исследователя, который зашел в мой кабинет летом 2000 года рассказать о пронесшемся в кафетерии слухе, будто в одном из экспериментов на LEP обнаружили бозон Хиггса с массой 114 ГэВ. Вскоре об этом уже заговорили все, а в сентябре был организован семинар, на котором представили результаты. Похоже, слухи действительно имели под собой основание. Слабые сигналы фиксировались более чем в одном эксперименте, и данные выглядели вполне согласованными, хотя количество наблюдаемых событий было чересчур велико по отношению к предсказаниям Стандартной модели.

Тема бурно обсуждалась с руководством ЦЕРН, который в то время возглавлял итальянский физик Лучано Майани. Решение требовалось принять быстро. Чтобы начать установку магнитов для LHC в соответствии с планом, надо было закрыть LEP в конце 2000 года. Любая задержка могла сильно повлиять на график постройки нового ускорителя. С другой стороны, за последние несколько недель появились признаки, вроде бы указывающие на то, что бозон Хиггса массой в 114 ГэВ у нас уже фактически в руках. Еще несколько месяцев – может быть, год, – и на LEP можно будет совершить открытие века.

Последовали напряженные дни жарких споров. В итоге Майани согласился всего лишь на несколько недель сбора данных, а позднее, увидев, что получаемые сигналы остаются крайне ненадежными, вообще остановил эту работу и принял решение закрывать старую установку. Физики LEP яростно его критиковали. Рвались многолетние дружеские связи, сыпались оскорбления, рождались глубочайшие обиды. Долгие годы те, кто поверил в сигналы, полученные на LEP, будут твердить, что бозон Хиггса уже открыт, что его масса равна 114 ГэВ и что на LHC его всего лишь переоткроют. Но в конце концов выяснится, что это была злокачественная статистическая флуктуация; такое порой случается, особенно когда ускоритель близок к дате своей окончательной остановки. Майани оказался прав: даже продолжая получать новые данные, идентифицировать объект с энергией 125 ГэВ на LEP было бы невозможно. Когда после открытия Хиггса я спросил Майани, кто из оскорбителей нашел в себе мужество извиниться или хотя бы просто признать его правоту, Лучано в ответ лишь улыбнулся.

После закрытия LEP эстафета в поисках бозона Хиггса перешла к чикагскому Тэватрону; LHC только начинал строиться. Воодушевленные открытием в 1995 году топ-кварка, ученые Фермилаба решили довести светимость ускорителя до предела и усовершенствовать детекторы, используя для этого также некоторые технологии, разработанные для LHC.

В первое десятилетие нового века окно возможностей для поимки бозона Хиггса открылось и на Тэватроне. Тем более что тогда – из сравнения масс топ-кварка и W-бозона с результатами прецизионных измерений массы Z-бозона – были получены непрямые оценки массы бозона Хиггса, которые свидетельствовали в пользу относительно низких значений, близких к значению 114 ГэВ, вызвавшего такой ажиотаж вокруг LEP. На таких энергиях у Тэватрона был шанс сорвать джекпот, обогнав LHC, и в какой‑то мере отыграться за неудачу с SSC.

Великий праздник и черная пятница

И вот все уже позади – и колоссальное напряжение, и череда взлетов и падений. Ускоритель готов к пуску. Наступает ответственный момент нашего захватывающего приключения. Ускоритель завершен, он прошел множество испытаний, доведен до рабочей температуры, готов к разгону первых пучков частиц. Детекторы также готовы; нам пришлось совершить вокруг ускорителя не одно сальто-мортале, чтобы установить и запустить последние компоненты, но в конце концов мы все успели. И CMS вовремя выходит на старт.

Трудно описать наш энтузиазм тех дней – энтузиазм поистине всепоглощающий и заразительный. Несколько лет мы провели на грани катастрофического провала, но теперь мы во всеоружии, готовы действовать и уверены, что обнаружим не только бозон Хиггса, но и суперсимметрию, и даже – а почему бы и нет? – новые состояния материи, предсказываемые теориями экстраизмерений.

Я вспоминаю то время, как период некоей эйфории. Возможно, все произошедшее потом отчасти объясняется той самоуверенностью, которая переполняла тогда нас всех. Той особой формой высокомерия, hybris, которая так хорошо описана в древнегреческой литературе и которая овладевает людьми, когда они, возгордившись, решаются на великие подвиги, – и за это на них обрушивается катастрофа.

Утро 10 сентября 2008 года. Все ожидают пуска ускорителя. ЦЕРН пригласил сотни журналистов. Впервые ускоритель элементарных частиц вводится в действие в присутствии представителей крупнейших СМИ всего мира. В безумные недели, предшествовавшие этому событию, мне, Фабиоле, Джиму Вирди и Петеру Йенни пришлось изыскать время, чтобы научиться работать со СМИ. Пара бойких журналистов Би-би-си часами растолковывала нам, как следует отвечать на самые агрессивные вопросы и уворачиваться от ловко расставленных репортерами ловушек.

Всеобщий интерес нарастал оркестровым крещендо, но связан он был с совершенно иррациональным страхом того, что запуск LHC обернется концом света. Мы были измучены непривычным для нас повышенным вниманием, нас шокировала жуткая чепуха, распространяемая газетами и разнообразными сайтами, мы тонули в потоке просьб об интервью и комментариях, отнимавших у нас бездну времени. Зато сотрудники отдела по связям с общественностью ЦЕРН сияли от счастья. Опасения, что черная дыра уничтожит мир, спровоцировали пароксизм внимания к происходящему в Женеве, а для них это – бесценная возможность поговорить с широкой публикой на научные темы, которые обычно мало ее интересуют.

В 10.28 инжектируется первый сгусток протонов; он совершает первый полный оборот и радостно влетает в тонкую керамическую пластину, оставляя на ней красивый эллиптический отпечаток. Это доказательство того, что все работает как надо. В зале центра управления аплодисменты. Руббиа и Лин Эванс празднуют первый вздох своего детища.

Возбуждение царит и в центрах управления экспериментами. Летят в потолок пробки из бутылок шампанского, в прямой эфир идут репортажи Би-би-си, Си-эн-эн, Аль-Джазиры и многих других компаний. То, насколько мировые медиа поглощены происходящим, я понял, когда общался со съемочными группами всех трех телеканалов Итальянского радио и телевидения (RAI) – Tg1, Tg2 и Tg3.

До сих пор я с горечью вспоминаю о том, что примерно годом ранее я звонил руководству Tg1, чтобы предупредить о готовящейся Би-би-си прямой трансляции спуска CMS в подземную камеру. Мне казалось важным, чтобы RAI тоже подготовили свой репортаж. Но это оказалось невозможно, поскольку (цитирую дословно): “Профессор, на этой неделе проходит фестиваль, и все наши сотрудники сейчас в Сан-Ремо, чтобы освещать это музыкальное событие”. Лишь всеобщий испуг перед черной дырой смог убедить RAI в том, что иногда стоит рассказывать не только о песнях.

10 сентября 2008 года состоялся праздник на глазах у всей планеты. Никакой черной дыры не образовалось, а самая сложная экспериментальная установка в мире работала в точности так, как и ожидалось. Ускоритель начал работу в назначенное время, и пучки частиц плавно совершали свое круговое движение – а вокруг было много улыбающихся лиц, и повсюду звучали громкие тосты.

Но эйфория длилась недолго, и мы дорого за нее заплатили. Не прошло и десяти дней, как в пятницу, 19 сентября, из‑за дурацкого дефекта в контакте случилась катастрофа, которая остановила работу более чем на год.

Было 11.18, когда сотрудники, дежурившие в пультовой, поняли: произошло что‑то серьезное. Проводились рутинные пусконаладочные работы. Перед их началом полагалось протестировать все восемь секторов, на которые было разделено 27‑километровое кольцо. На этот случай существовал очень четкий протокол, в соответствии с которым через обмотки магнита следовало пропускать ток до тех пор, пока не возникнет номинальное поле, способное удерживать на орбите протоны, разогнанные до энергий в 7 ТэВ. Этот тест никогда не удавалось провести для всех секторов. Лишь в некоторых из них поле достигало номинального значения, а во многих других оно оказывалось вдвое слабее. Накапливающиеся то тут, то там задержки стали в итоге указывать на последний сектор, 3–4, находящийся под Юрá. Но дата пуска LHC уже была назначена, поэтому окончание испытаний решили отложить на потом. И действительно, 10 сентября все прошло успешно. Однако теперь надо было довести испытания до конца, увеличивая силу тока в магнитах последнего сектора. И тут случилось такое, чего никто не ожидал.

На одном из последних этапов испытаний, когда по обмотке магнита шел ток в 8 700 А (ампер) при целевом значении в 10 000, произошло непоправимое. Я до сих пор помню дрожь в голосе Франческо, одного из многих молодых итальянских инженеров, которые провели несколько месяцев в тоннеле, подготавливая к работе один сектор за другим. В момент аварии он находился в зале центра управления. Вот его слова: “Это была невообразимая картина. Сработали десятки сигналов тревоги, а камеры в тоннеле показывали густой туман, который образуется при сильной утечке гелия”.

В официальном коммюнике ЦЕРН говорилось вначале о сбое, который должен был привести к задержке в пару месяцев. Когда через несколько недель Лин Эванс и группа инженеров спустились в тоннель, чтобы проверить, что же произошло на самом деле, их глазам предстала ужасающая картина. Несколько магнитов оказались сдвинуты со своих мест. Взрыв – а речь явно шла именно о взрыве – снес 27‑тонные объекты, как солому, смяв прочные стальные трубы так, словно они были из фольги. Стенки исключительно хрупкой вакуумной камеры, по которой за десять дней до катастрофы неслись протоны, были разорваны в нескольких местах, а ее внутренняя поверхность оказалась на сотни метров загрязнена смертоносной пылью, прилипшей к стенкам. Были потеряны четыре тонны жидкого гелия, который, испарившись за секунды, развеялся по сотням метров тоннеля. Там все замерзло и – из‑за водяных паров в воздухе – покрылось толстым слоем льда и инея. Замерзший тоннель, в котором к тому же из‑за гелия не осталось кислорода, стал на несколько недель непроходимым. Это был подлинный катаклизм.

Анализ аварии показал, что все произошло из‑за одного дефектного контакта в одном из 12 000 соединений между магнитами. Что‑то в нем было не так, и из‑за этого “не так” сопротивление оказалось больше, чем надо. При прохождении тока силой в 9 000 А крошечная точка нагрелась до температуры плавления, а в возникшей щели возникла дуговая искра, которая пробила контейнер с жидким гелием. В результате произошел взрыв с ударной волной, повредившей десятки магнитов и другие компоненты ускорителя.

Эмилио Пикассо, которому осложнения, возникавшие во время рытья тоннеля под LEP, доставили немало хлопот, был одним из немногих, кого не удивило случившееся. Как‑то во время ужина он сказал мне: “С того момента, как сектор 3–4 однажды полностью затопило, мы понимали, что получим тут еще много проблем. Воздух там насыщен влагой. Несмотря на то, что для гидроизоляции тоннеля было сделано все возможное, кабель, стоит ему полежать там пару часов, полностью окисляется, и если окись тщательно не счистить, контакт будет дефектный”.

Последствия инцидента оказались тяжелыми. Лин Эванс определил их по обыкновению сухо и эффектно: “Мы получили удар в челюсть, который напрочь нас вырубил”. Скоро выяснится, что для проведения ремонта потребуется больше года. Существовал даже риск того, что запустить ускоритель заново уже никогда не удастся. Сколько еще дефектных сварных швов скрывается среди тысяч взаимосвязанных магнитов? Эта авария выявила недостаток в контроле качества, который мог вновь дать знать о себе. Необходимо было принять меры по исправлению ситуации, то есть заново все проверить и обезопасить всю систему. Непоправимо поврежденные магниты мы могли заменить, но если бы произошла еще одна подобная авария, наших запасов бы уже не хватило и ускоритель пришлось бы остановить. Линии по производству магнитов были уже демонтированы, и на их повторный запуск потребовался бы не один год.

Остановка LHC как минимум на два года – вот к чему бы привело решение распаять каждый контакт и заново его заварить. В итоге мы пошли на определенный риск: решили заменить поврежденные магниты и принять все возможные меры предосторожности для смягчения последствий эвентуальных аварий; так мы смогли возобновить работу в 2010 году и продолжать сбор данных в течение всего 2011 года. Эксплуатация LHC на расчетной энергии становилась невозможна – риск был бы слишком велик. Мы намеревались начать с энергии в 7 ТэВ при светимости на порядок ниже, чем планировалось. А начав в 2012 году ремонт соединений, можно было надеяться через несколько лет вывести ускоритель на максимальную проектную энергию.

На сотрудников всех коллабораций авария подействовала удручающе. Особенно она сказалась на молодых. В их глазах читались гнев, разочарование, досада. Зимой 2008–2009 годов я встречался с десятками из них – чтобы выслушать, помочь решить какие‑то проблемы, попросту дать им возможность выговориться. Среди них были такие, кто годами ждал данных, чтобы дописать диссертацию и начать искать работу; у кого‑то был уже назначен день свадьбы, а жениться или выходить замуж хотелось с дипломом в кармане; были молодые люди, чьи стипендии или контракты истекали задолго до того, как LHC сможет снова вступить в строй. В каких‑то случаях мне удавалось помочь или хотя бы минимизировать ущерб, но десяткам молодых сотрудников пришлось, к сожалению, просто уволиться.

Ну, а нам явно предстояло сменить все наши научные приоритеты. “Забудьте о Хиггсе, ребята!” – так можно было бы передать суть этой смены. С ускорителем, который будет работать на энергии, вдвое меньшей проектной, и со светимостью, в сто раз меньшей, нет никакой надежды на открытие “частицы Бога”. Больше всего угнетало то, что этот сбой даст Тэватрону возможность выйти на финишную прямую раньше нас. После долгих лет неизвестности и напряженной работы мы рискуем увидеть, как цель, к которой мы так долго стремились, ускользает от нас.

Глава 5
Окончательное “да”

Волшебное касание Гвидо

Зал центра управления CMS в Чесси,

30 марта 2010 г., 8.54

У дверей лифта, ведущего в подземную камеру, пасутся коровы, совершенно равнодушные к ажитации, царящей вокруг P5, площадки CMS. Последние несколько недель тут снуют белые грузовики ЦЕРН и машины местных жителей, так что можно понять, что происходит нечто важное. Сутки разделены на три периода по восемь часов, и эксперты работают посменно.

В зале центра управления царит нервная обстановка. Все помнят, что случилось 23 ноября 2009 года. В тот день в LHC, снова введенном в работу после аварии, произошли первые столкновения с энергиями в 900 ГэВ. Но по ряду причин CMS не смог выдать те замечательные цветные фотографии, которые дают графическое представление столкновений протонов. У всех других экспериментов дела шли лучше: в частности, коллеги из ATLAS успешно получили первые снимки, которые были немедленно опубликованы во всех ведущих газетах мира и показаны по всем телеканалам. Ребята из CMS, несколько недель с надеждой готовившиеся к пуску ускорителя, не могли скрыть разочарования. Не то чтобы проблема была серьезной, но само ее наличие снова давало всем понять: ATLAS в нашем классе – отличник, а мы всегда на втором месте. Именно это делало ситуацию невыносимой для каждого из нас. Так что сейчас, когда эксперимент возобновился, все должно идти как по маслу. Это мы должны быть первыми, мы должны сообщать миру о столкновениях с высокими энергиями и демонстрировать их изображения, снабженные нашим приметным лого.

Ускоритель, после многочисленных перебоев первого года, заработал наконец нормально, и все теперь шло по плану. Но момент истины пока не наступил. На сегодняшнее утро были предусмотрены первые столкновения с энергиями 7 ТэВ – это рабочая энергия LHC на 2010 год. Все проверено и перепроверено бесконечное число раз. Мы провели компьютерные симуляции процессов, проверили каждый из них и даже подготовились к каким‑нибудь сюрпризам. В зале центра управления собрались лучшие эксперты и программисты; все они очень молоды – меня окружает множество серьезных парней и девушек, которым даются последние наставления.

И тут случается непредвиденное: ускоритель встает. Пуск – но пучок теряется; вторая попытка – то же самое. Но мы же видели, что, когда прошлой ночью сотрудники LHC проводили свои тесты, никаких проблем не возникало! Они проводили столкновения, чтобы убедиться, что все под контролем, и все у них прошло гладко. Не было накладок и в других случаях. Мы согласились помалкивать об этих ночных тестах, поскольку официально их следовало проводить с утра. Журналистов предупредили о начале испытаний в 9 часов: ЦЕРН хотел, чтобы запуск прошел на глазах у представителей СМИ и последняя тень сомнений, оставшаяся после инцидента 2008 года, полностью рассеялась. Но сейчас у LHC, казалось, не было ни малейшего намерения повиноваться командам оператора. Уже полдень, прошло целых три часа, однако так ничего и не произошло. Нервозность в зале центра управления выросла до самых звезд. Некоторые журналисты уже набрасывали заметки, начинавшиеся примерно так: “Сегодня ожидался великий день для LHC, но ускоритель, переживший страшное потрясение в 2008 году, не захотел выходить на мощность в 7 ТэВ”. Я вижу ужас в глазах окружающих меня ребят. И тогда, дабы разрядить обстановку, я делаю нечто странное. Пока готовится очередной запуск ускорителя, я подхожу к монитору, отображающему состояние пучков, и возлагаю на него руки, восклицая по‑итальянски: “Ну хватит! Пускай этот гр***ный ускоритель наконец заработает!” Понимавшие итальянский немедленно дружно расхохотались, а все остальные последовали их примеру чуть позже, когда им перевели, что именно сказал спикер эксперимента, а главное – разобрались в том, что за пассы он проделывал над монитором. Кто‑то из журналистов снял меня в этой позе, и его фото разошлось потом с подписью “Волшебное касание Гвидо”. К изумлению присутствующих, мое “касание” помогло и попытка оказалась успешной: первые столкновения с энергией 7 ТэВ шли у нас перед глазами, и мы были первыми, кто объявил о них миру посредством наших чудесных фотографий.

В центре управления раздались радостные возгласы и восторженные вопли. Вокруг меня собирается толпа, и фотограф ЦЕРН делает снимок: восхищенные молодые люди с воздетыми к потолку руками и с сияющими глазами окружают куда более взрослого синьора в костюме и при галстуке. Этой фотографии тоже будет суждено обойти весь мир и навсегда сохраниться в моей памяти как одной из самых прекрасных.