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

Жизнь спикера

Спустя два месяца после инцидента 2008 года ЦЕРН получил новое руководство. Традиция требовала, чтобы в назначениях была ротация: после англичанина назначается итальянец, потом француз… теперь же очередь дошла до немца. Выбор Совета ЦЕРН, представляющего 20 стран – членов организации, пал на Рольфа Хойера. Да, именно на него, нашего референта на первых порах работы CMS. Своим замом по науке Рольф выбрал Серджо Бертолуччи, итальянского физика, почти три года руководившего лабораторией Фраскатти Национального института ядерных исследований; во времена старшей школы и университета мы с ним дружили. Потом наши пути разошлись, но мы сохранили те теплые отношения, которые позволяют нам обходиться без слов, чтобы понимать друг друга. Так бывает со старыми морскими волками: встретятся случайно после долгой разлуки и начинают разговор с того самого места, где его когда‑то пришлось прервать.

До этого назначения Рольфу и Серджо пришлось разбираться с инцидентом на LHC, заниматься устранением повреждений ускорителя и искать пути его восстановления, заботясь прежде всего о минимизации рисков. Лин Эванс тоже уходил со своего поста, и надо было искать кого‑то, способного вернуть LHC в строй. Выбор пал на Стива Майрса.

Стив – ирландец, и его детство прошло в Белфасте, в самые тяжелые годы гражданской войны. Его уже ничем не испугать. Навсегда останется в анналах его эпичная стычка с Карло Руббиа, тогда уже нобелевским лауреатом и директором ЦЕРН. В пылу полемики Карло кричал, что уволит Стива, и надвигался на него – хрупкого и невысокого – всем своим грузным телом. Но Стив, нимало не испугавшись, вскочил на ноги и просто посмотрел в глаза неистовому Карло. Взгляд его не предвещал ничего хорошего, и Карло непостижимым образом немедленно успокоился. Никто из нас не был бы на такое способен. Чтобы начать все сначала, когда все, казалось, было потеряно, нам был нужен именно он. Чтобы отремонтировать ускоритель и запустить его вновь, чтобы вернулась отвага к тем, кто смотрел уныло и испуганно, требовалась его бескомпромиссная решимость. И Стиву все это удалось.

Понадобились месяцы безумного напряжения и неустанной работы сотен техников и инженеров, чтобы побороть в памяти LHC кошмар черной пятницы. Мы заменили 53 диполя, установили сотни новых предохранителей, выполнили тысячи контрольных измерений на соединениях между магнитами. Общая стоимость работ превысила 25 млн франков, но – все получилось. 21 ноября 2009 года LHC был уже в рабочем состоянии и по его тоннелю понеслись пучки частиц. Никаких проблем не возникло. Спустя два дня успешно прошли столкновения с энергиями 900 ГэВ, а еще через две недели энергия столкновения протонов в системе центра масс достигла уже 2,35 ТэВ. LHC стал самым мощным ускорителем в мире.

Потрясение 2008 года нам было непросто пережить как в ATLAS, так и в CMS. То были тяжелые месяцы, когда нами овладело разочарование, а вера в себя, казалось, была утрачена. Но потом вдруг проснулась гордость – ясная, рациональная и не лишенная некоего юношеского безумия. Она внезапно стала читаться в глазах трудившихся без устали людей: “Нас не остановишь! Мы столько преодолели, чтобы создать все эти чудеса техники, и мы снова победим”. Дело вновь завертелось.

Во главе двух наших экспериментов теперь встали я и Фабиола. Нас избрали в 2009 году в соответствии с довольно необычной процедурой, характерной для наших организаций. Спикер занимает свою позицию определенное количество лет. В CMS это ровно два года. В ATLAS же есть возможность переизбраться и оставаться на посту четыре года (это максимум). В голосовании принимают участие представители всех лабораторий и университетов, задействованных в эксперименте, – это около 150 организаций, – а голосованию предшествует дискуссия, в которую вовлекаются тысячи членов коллаборации. Во время действия своего мандата спикер полностью отвечает за все решения, касающиеся представительства эксперимента в международном научном сообществе. Его главная задача – обеспечить достижение наилучших возможных результатов. А для этого он должен организовать работу так, чтобы все было в полном порядке: функционирование детектора и сбор данных, компьютерная реконструкция траекторий, бесперебойная работа всех вычислительных мощностей, физический анализ и публикационная активность. У него серьезная исполнительная власть, потому что он расставляет приоритеты, выбирает, на чем надо концентрировать ресурсы, и назначает людей, которые будут выполнять те или иные действия. Но его нельзя сравнить с СЕО частной компании или с политическим лидером, поскольку он не обладает прямой властью над исследователями, работу которых координирует. Коллаборация состоит из свободных мужчин и свободных женщин – ни их карьера, ни их заработки никак от него не зависят.

ATLAS и CMS – гигантские коллаборации: в каждой из них по 3 000 сотрудников из 40 стран со всех континентов. Как можно управляться с таким количеством работников без плетки и морковки, без возможности увеличивать им жалование или налагать санкции? Наша организация приводит в ужас любого профессионала по принятию решений: мы похожи на реализовавшуюся утопию, на управляемую анархию.

Всякий, пускающийся в авантюру за гранью возможного, делает это потому, что ему не дает покоя его мятежный дух. Фундаментальную физику выбирают вовсе не те, кто любит отдавать или получать приказы. Того, кто ее выбирает, толкает на это горячая страсть. Он принимает вызов и готов тратить свои выходные и просиживать ночи напролет, чтобы понять, существует ли бозон Хиггса в реальности и есть ли у нашего мира скрытые измерения. Руководить сообществом людей, настолько мотивированных и настолько тщательно отобранных, совсем несложно. Власть спикера подобна власти дирижера огромного оркестра. В нашем деле подавляющее большинство оркестрантов отлично знает все партитуры, а многие к тому же еще и умеют дирижировать. Музыканты выбирают кого‑то одного из своих рядов, и он на пару лет встает за дирижерский пульт. Все в оркестре знают его стиль и его подход к интерпретации музыки, поэтому соглашаются играть по его указке. При этом предполагается, что при каждом исполнении он будет демонстрировать компетентность и обязательность и тем заслужит их уважение. Такими сложными организациями, как CMS, не руководят, опираясь исключительно на авторитет. Научная деятельность нуждается в обороте идей и в их безжалостной критике; она направляется свободными людьми, привыкшими отстаивать оригинальные точки зрения и плыть против течения.

Жизнь спикера далека от монотонности. Добрых пятьдесят процентов времени занимают рутинные совещания, составление финансовых и административных отчетов, переписка с научно-исследовательскими учреждениями и тому подобное. Но всегда есть и немалая толика исключительно интересной работы: обсуждение стратегии, физических результатов, которые должны быть подтверждены либо опровергнуты, новых инструментов анализа или перспектив развития. Вдобавок возникают бесчисленные кризисные и чрезвычайные ситуации.

С одной стороны, детекторы – чудеса техники, но с другой – это чрезвычайно сложные устройства. Достаточно одной какой‑нибудь мелочи, чтобы случилась катастрофа с непоправимыми последствиями. К примеру, тебя будят в два часа ночи, потому что в P5 из магнита потекла вода. Если такое случается, то спикер и технический координатор обязаны быть на месте первыми. Мы надеваем каски и спускаемся под землю, чтобы увидеть все воочию. И выясняется, что где‑то начал подтекать дурацкий клапан – один из восьмисот, установленных на охлаждающих трубах какой‑то из большого числа систем! И пока мы по запутанным ходам внутри детектора пытаемся добраться до клапана, которым можно перекрыть всю цепь, нас обуревает страх. Откуда нам знать, что вода не нанесла непоправимого ущерба мюонной камере? И что будет с теми кабелями и той электроникой, которые оказались затопленными? А позднее мы не только сражаемся с повреждениями, но еще и выясняем, что именно вызвало протечку. Проводятся всевозможные тесты, и в итоге выясняется, что какая‑то часть переходников со временем подверглась коррозии и перестала работать. И тогда принимается решение, что риск слишком велик и что все переходники надо заменить. Составляется план работ, ищутся новые, более надежные переходники, иначе расставляются приоритеты – поскольку замена переходников обойдется в 800 тысяч франков, а они предназначались для решения совсем других задач.

Следующая чрезвычайная ситуация возникает, когда техник сообщает нам, что, выполняя неосторожный маневр мостового крана, он мог повредить вакуумную трубу. Это произошло, когда он немного изменял угол размещения калориметра, который, хоть и весит много тонн, выглядит просто игрушкой в сравнении с самим соленоидом. И этим монстром он лишь коснулся деликатнейшей части ускорителя под названием beam pipe – хрупкой трубы из алюминия и бериллия, внутри которой поддерживается глубокий вакуум и по которой в LHC несутся протоны. Самое незначительное ее повреждение может стать причиной взрыва, и это была бы худшая из всех возможных катастрофа и для нас, и для ускорителя. Она предвещала бы бесславный финал CMS и многомесячную остановку всего LHC. К счастью, после нескольких недель проверок мы смогли вздохнуть с облегчением. Кстати, тогда в очередной раз подтвердилась эффективность одной нашей необычной процедуры, введенной в процессе строительства ускорителя. Всякого, кто совершит тот или иной проступок, не только не наказывают, но еще и премируют, если он сообщит об этом незамедлительно. Это может показаться странным, но на самом деле логика тут есть. Ошибки совершают все и всегда. Если страх быть за них наказанным заставляет молчать, то возникает опасность получить “бомбу замедленного действия”, заложенную в недра столь сложного сооружения. Нет уж, лучше сразу признаться и начать искать решение проблемы, понимая при этом, кто именно несет ответственность за допущенную ошибку.

Саркози, “Тур де Франс” и “дурацкая затея”

В марте 2010 года в LHC начались протонные столкновения с энергией 7 ТэВ. Эта новость была встречена всеми с большим энтузиазмом. Мы так долго ждали данных, что уже даже забыли то головокружение, которое испытываешь, когда первым наблюдаешь новый и полный неожиданностей мир. Старожилы, видевшие все фазы строительства ускорителя и всецело поглощенные проектом, в последний раз анализировали полученные экспериментальные данные годы назад. Для молодых же это совершенно невиданный опыт: они налетают на новые данные с жадностью косяка амазонских пираний и принимаются переваривать, анализировать, а то и выворачивать их наизнанку, словно носки. Любопытно наблюдать за тем, как эти ребята представляют полученные результаты: за несколько недель они открывают заново все элементарные частицы Стандартной модели.

Подобная активность принципиально важна для построения Новой физики. Никто не поверит, что мы открыли Сьюзи или поймали бозон Хиггса, если до того мы не сумели переоткрыть все известные элементарные частицы. Тут важны скорость и качество – они помогают добиться серьезного преимущества. Весьма существенную роль играет то, что наши новые детекторы были тщательно откалиброваны. Возвращаясь к аналогии с оркестром: для начала надо исполнять общеизвестные музыкальные произведения – чтобы продемонстрировать хорошую настройку инструментов. Только после проведения этой исключительно тонкой, требующей терпения операции мы будем готовы перейти к совершенно новой партитуре.

Стоит напомнить, что все процессы в Стандартной модели могут быть уподоблены поиску в таежных дебрях неведомых науке зверей. Каждая новая частица, если ей суждено будет когда‑нибудь появиться в наших данных, даст о себе знать сигналами, спрятанными среди других, очень похожих, сигналов уже известных процессов. Их надо очень точно измерить и количественно описать; только тогда у нас появится уверенность, что мы смогли выделить какую‑то аномалию, статистически значимое число надежно зарегистрированных событий. Как никогда актуальным представляется мне сегодня наставление, данное в древности одним персидским поэтом своему юному ученику: “Если хочешь стать поэтом, сперва выучи наизусть все то, что было написано до тебя… а потом – все забудь”.

Самым важным событием в научной жизни того года была конференция по физике высоких энергий в Париже, в которой принимали участие сотни физиков со всего мира, с нетерпением ожидавших наши первые результаты. Представлять их поручили мне и Фабиоле.

26 июля 2010 года Париж сверкал разноцветными огнями. Накануне завершился “Тур де Франс”, и я нашел время, чтобы, оторвавшись от компьютера, сбегать на набережную Сены и посмотреть на Контадора с компанией, несущегося в сторону Елисейских полей.

На открытии конференции моим глазам предстало впечатляющее зрелище. Мне не привыкать говорить перед сотнями слушателей, но вид большого зала Дворца конгрессов у Порт-Майо на 1 750 мест все же заставил меня разволноваться.

Первым к участникам конференции обратился Никола Саркози, президент Французской Республики. Я не вслушиваюсь в его выступление, а по обыкновению слежу за языком тела. И, к своему изумлению, понимаю, что он крайне не уверен в себе и пытается скрыть эту неуверенность с помощью надменной осанки и подчеркнуто высокомерных манер. Мне Саркози не симпатичен, но вещи он говорит важные, такие, что мне всегда приятно слышать от людей, облеченных властью. Рассуждает о роли научных исследований в Европе, подчеркивает, что снижать инвестиции в науку во время кризисов – это безумие и что Европа должна сохранить и даже упрочить свое лидерство в сфере физики высоких энергий.

Когда выступаем мы с Фабиолой, в зале царит тишина. Представленные нами результаты производят впечатление: LHC только начал работать, прошло всего несколько месяцев, а оба эксперимента уже демонстрируют, что располагают всеми необходимыми ингредиентами. Мы показываем графики и измерения относительно W– и Z-бозонов, представляем первых кандидатов в топ-кварки и первые полученные нами результаты относительно новых явлений в области энергий 7 ТэВ. Никто не сомневается, что ATLAS и CMS готовы идти дальше.

Вскоре, ответив на многочисленные вопросы, я удовлетворенно спускаюсь со сцены. Дело сделано. У меня такое чувство, словно мы с Фабиолой успешно сдали важный экзамен. Однако наша радость длилась недолго.

Разговаривая с коллегами по Тэватрону, мы вдруг понимаем, что ликовать нам рано. Весь прошлый год американский ускоритель работал идеально, его эффективность и светимость систематически возрастали. Экспериментаторы продолжают упорные поиски бозона Хиггса. У них получилось проанализировать другие многообещающие каналы распада, и они систематически сопоставляют свои результаты. Одним словом, они здорово вырвались вперед, и, если мы чего‑нибудь не предпримем, они нас обгонят.

Едва дождавшись кофе-брейка, я, Рольф, Стив и Фабиола собрались в уголке, подальше от столов с закусками, вокруг которых толпились участники конференции. Мы получили абсолютно ясный сигнал. Нам нужно срочно менять стратегию. Риск, что после всех приложенных усилий люди с Тэватрона уволокут открытие прямо у нас из‑под носа, слишком велик. Нам было достаточно взглянуть друг на друга, чтобы понять, что мы можем сделать, – и в этом решении мы были единодушны. Прежде всего надо продлить период сбора данных. То есть отложить ремонтные работы до 2013 года и собирать данные весь 2012‑й. Мы попробуем увеличить светимость и, может быть, также энергию и запишем на диск еще 5 fb^-1, то есть обратных фемтобарн (они используются как специальная единица измерения, указывающая полное количество собранных данных), и на этом наша история завершится. Дело даже не в Тэватроне. Если бозон Хиггса существует, мы находим его, где бы он ни прятался; в случае же неудачи вообще отказываемся от поисков. Мы четверо расходимся с мыслью немедленно проверить, действительно ли задуманное нами выполнимо. Мы отводим себе несколько месяцев на то, чтобы проанализировать все детали: Стив сконцентрирует свое внимание на ускорителе, мы с Фабиолой проведем компьютерные симуляции экспериментов, а Рольф прозондирует настроения в Совете. До тех пор, пока мы не проверим все возможности, мы будем молчать о наших планах.

Итак, за какие‑то десять минут вся история LHC, а может быть, и всей физики высоких энергий навсегда изменилась.

Как поменять стратегию

Лето 2010 года я провел в спорах с наиболее агрессивными и наиболее преданными делу коллегами. Первым, с кем я поговорил, был Вивек Шарма. Вивек родился в глухом уголке индийского штата Бихар и, как и большинство блестящих студентов-иностранцев, получив докторскую степень, остался в США. Он был тогда молодым профессором Калифорнийского университета в Сан-Диего и несколько месяцев, по моему поручению, возглавлял группу по хиггсовскому анализу. Это была одна из самых маленьких групп – в нее входило всего двадцать семь физиков, в то время как группы по поиску суперсимметрии или идентификации топ-кварка состояли из сотен человек. Такая количественная разница отражала всеобщую уверенность, что сбор данных на 7 ТэВ не даст сколько‑нибудь значимых для поиска бозона Хиггса результатов и что следует сконцентрироваться на других направлениях, представлявшихся более перспективными.

Мы с Вивеком подружились еще во времена LEP: познакомились, когда он, учась в Висконсине, работал вместе со мной над юстировкой миниатюрной трековой камеры, собранной нами в Пизе. Мне хватило всего нескольких слов: Вивек сразу уловил суть происходящего. Нельзя терять времени, результаты нужны уже этой осенью. Надо было срочно организовывать серию численных экспериментов, чтобы понять, справедлива ли наша интуитивная оценка в 5 обратных фемтобарн, которая показалась нам наиболее разумной. Следовало выстроить совершенно новую стратегию. До сих пор наш анализ базировался на предположении, что в нашем распоряжении есть сотня обратных фемтобарн при энергии в 14 ТэВ. При таких условиях с открытием бозона Хиггса справится и ребенок. Все наши прежние исследования показывали, что в каждой конкретной области масс достаточно сконцентрировать усилия на одном-единственном канале распада, – и мы сможем открыть бозон Хиггса, где бы он ни прятался.

С LHC мы чувствовали себя, как в пятизвездочном отеле: заказывай все что хочешь, и тебе принесут это прямо в номер. Однако инцидент 2008 года разрушил наши мечты о величии. Нам, так сказать, пришлось укрываться в горном лагере, где нужно жаться друг к другу, когда хочешь согреться, а если не найдешь чего‑нибудь съедобного и дров для печки, то будешь стучать зубами от холода и страдать от голода.

Когда у тебя 7 ТэВ и 5 fb^-1, все намного сложнее. Ни один канал распада бозона Хиггса не даст сам по себе достаточно надежных сигналов. Не остается другого пути, кроме как сочетать сигналы как можно бóльшего числа каналов распада. Но это требует привлечения к работе сотни сотрудников. Да и этого окажется недостаточно в самом нижнем диапазоне масс, от 115 до 150 ГэВ, который мы считаем наиболее вероятным, исходя из всего того, что нам известно благодаря точным количественным проверкам Стандартной модели. Тут, чтобы была хоть какая‑то надежда, придется приложить исключительные усилия. Придется начинать все сначала, совершенствуя и уточняя свой анализ; придется изобретать новые методы отбора интересующих нас сигналов и сдавать в утиль все проведенные к настоящему моменту исследования – чтобы проделать все заново, прибегнув к более подробному анализу и более точной калибровке.

Летом, пока проводились численные эксперименты, которые должны были использоваться для официальной смены стратегии, началось бурное обсуждение того, как интенсифицировать работы. Нам предстояло убедить сотни исследователей еще раз поменять свои планы и пуститься в предприятие, которое вполне могло оказаться безнадежным. Чтобы рассчитывать на успех, надо было собрать лучшие силы коллаборации, привлечь самые сильные университеты и самых блестящих молодых ученых.

На протяжении нескольких недель я встречался с десятками групп, по одной за раз. До сих пор помню, как трудно было убеждать моих коллег-профессоров, руководивших исследовательскими коллективами. Они решительно не хотели менять темы уже наполовину написанных диссертаций и отказываться от проектов, на подготовку которых люди потратили годы жизни. Но чем больше я говорил, что предприятие сложное, чем больше подчеркивал необходимость изобрести новые методы анализа, тем чаще видел огонек интереса, зажигавшийся в глазах самых молодых участников встреч. И в итоге нам удалось мобилизовать лучшие молодые умы нашей многотысячной коллаборации.

На протяжении нескольких следующих месяцев десятки групп и сотни блестящих ученых упорно объединяли свои усилия. И в 2011‑м, спустя год после неформальной встречи в Париже, выяснится, что в группе, занимающейся бозоном Хиггса в CMS, уже больше пятисот человек. Сотни юношей и девушек примутся изучать инновационные методы, чтобы пуститься в погоню за ускользающим бозоном. И если сегодня весь мир празднует достижение крупного научного успеха, то заслуга в этом прежде всего их – ребят, ответивших на брошенный им вызов с пылким энтузиазмом, на какой способны только очень молодые люди, готовые взять на себя ответственность и благодарные за оказанное им доверие.