Текст книги "Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира"

Европа вырывается вперед

Официальное название ЦЕРНа (CERN) – женевской лаборатории, в чьем ведении находится БАК, – Европейская организация по ядерным исследованиям, или по-французски: Organisation Europeenne Pour La Recherche Nucleaire. Вы можете заметить, что сокращение не соответствует нынешнему названию (то же самое и с английским названием). Это потому, что нынешняя «Организация» является прямым потомком Европейского Совета по ядерным исследованиям – Conseil Europeen Pour La Recherche Nucleaire, от которого и произошло название, но все согласились на том, что нужно оставить старую аббревиатуру даже после того, как полное название было официально изменено. Никто не настаивал на изменении аббревиатуры на неблагозвучное «ОЕРН».

Совет был создан в 1954 году группой из двенадцати стран, стремившихся оживить физические исследования в послевоенной Европе. С тех пор ЦЕРН превратился в форпост физики элементарных частиц и ядерной физики и стал интеллектуальным центром европейской науки. Женева – второй по величине город в Швейцарии, мировой финансовый и дипломатический центр, славящийся издавна своим часовым производством. Теперь и ЦЕРН стал достопримечательностью Женевы, и каждый из шестнадцати пассажиров в женевском аэропорту так или иначе связан с ЦЕРНом. Когда вы летите в Женеву, наверняка в вашем самолете сидит пара церновских физиков.

История ЦЕРНа, как и истории большинства других крупных лабораторий, где ведутся исследования элементарных частиц, – это история строительства все больших и совершенных ускорителей, развивающих все более высокие энергии. В 1957 году был запущен Синхроциклотрон, который ускорял протоны до энергии 0,6 ГэВ, а в 1959-м состоялась инаугурация Протонного синхротрона, который развивал энергию 28 ГэВ. Он функционирует и сегодня, но уже в качестве предускорителя, обеспечивая пучками другие ускорители (в том числе БАК), где частицы разгоняются до еще больших скоростей.

Важный шаг вперед был сделан в 1971 году, когда был построен первый адронный коллайдер (Intersecting Storage Rings – Пересекающиеся накопительные кольца, ISR), в котором предельная полная энергия доходила до 62 ГэВ. ISR был одновременно и протонным коллайдером, и ускорителем. В предыдущих установках протоны ускорялись и направлялись на неподвижные материальные мишени, куда частицам относительно легко попасть. В ISR сталкивались пучки, двигавшиеся в противоположных направлениях (встречные пучки). Эта задача гораздо сложнее в технологическом смысле, но, решив ее, можно достичь более высоких энергий, так как тут вся энергия до последней капельки идет на создание новых частиц. (При работе с неподвижной мишенью вследствие закона сохранения импульса большая часть энергии пучка тратится на «отдачу» мишени.) Идея построения коллайдера частиц была впервые выдвинута в 1950 году Джерардом О’Ниллом – американским физиком, больше прославившимся своим проектом создания среды обитания человека в космическом пространстве. А в 1960-х годах небольшие электрон-позитронные коллайдеры были сконструированы и построены во Фраскати, в Италии австрийским физиком Бруно Тушеком.

Длина коллайдера ISR составляла примерно 1,2 километра. Это была большая машина, но в будущем предстояло построить еще большие. В 1976 году был открыт Протонный суперсинхротрон (SPS) длиной около 6,9 километров, его энергия достигала 300 ГэВ. Всего лишь несколько лет спустя, приняв смелое решение, ЦЕРН модернизировал SPS. Если первоначально там ускорялись протоны, в новой конфигурации должны были сталкиваться протоны с антипротонами. Антипротоны трудно получить, и с ними трудно работать. Они – не то что протоны, которых полно вокруг. Сперва нужно создать антипротоны в столкновениях при более низких энергиях, а затем аккуратнейшим образом собрать их, ни в коем случае не допуская случайных встреч с протонами, иначе частицы аннигилируют, испустив свет. Но если с этим справиться, то возникает огромное преимущество: протоны и антипротоны имеют противоположные заряды, и следовательно, одним и тем же магнитным полем их можно направлять по одинаковым круговым траекториям, но в противоположных направлениях. (В БАКе сталкиваются протоны с протонами, и следовательно, нужно использовать две отдельные трубы для пучков, несущихся в противоположных направлениях.) Итальянский физик Карло Руббиа в 1983 году на модернизированном синхротроне SPS открыл переносчики слабого ядерного взаимодействия W– и Z-бозоны, получив за это в 1984 году Нобелевскую премию.

SPS по-прежнему на ходу и напряженно работает. Благодаря модернизации теперь он ускоряет протоны до 450 ГэВ. Пучки из него поступают в БАК, который разгоняет их до еще более высоких энергий. Физики элементарных частиц очень любят «апгрейдить» старые машины.

В 1989 году ЦЕРН открыл свой следующий большой проект: запустил Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP). Для этого на швейцарско-французской границе на глубине 100 метров проложили новый тоннель, на этот раз с длиной окружности 27 километров. Эти цифры должны вам что-то напомнить, и действительно, туннель, построенный для LEPа, – тот же самый туннель, в котором сейчас помещается БАК. После успешной десятилетней работы в 2000 году LEP был отключен, а вся техника демонтирована – нужно было освободить место для БАКа.

Большой электрон-позитронный коллайдер

Протоны – адроны, то есть сильно взаимодействующие частицы. Когда вы сталкиваете два протона друг с другом (или протон и антипротон), предсказать результат не очень просто. На самом деле там происходит следующее: один из кварков или глюонов первого адрона налетает на кварк или глюон второго адрона, но проблема в том, что вы не знаете точного значения начальной энергии ни одной из частиц, поэтому непонятно, с чего начать анализ. У машины, в которой сталкиваются электроны и позитроны, совсем другое назначение: она построена в первую очередь для точных измерений, а не в качестве инструмента грубой силы. Когда электрон и позитрон сталкиваются, как это происходит в LEPе, вы точно знаете, что происходит, а такие инструменты лучше подходят для тонких измерений свойств известных частиц, чем для открытия новых. Если воспользоваться аналогией с игрой «Где же Уолдо?»[2]2
  В 1978 году художник-иллюстратор Мартин Хэндфорд начал выпуск серии детских развивающих книг «Где же Уолдо?». На иллюстрациях были изображены толпы самых разных людей – в аэропорту, на пляже, в музее или еще где-нибудь. Задача ребенка – найти тщательно замаскированного, одетого в красно-белый свитер и шапочку Уолдо, прячущегося среди всех этих людей.


[Закрыть], то в экспериментах на адронном коллайдере ваш взгляд как бы беспорядочно блуждает по всей картине в поисках забавной полосатой шапочки, а эксперименты на электрон-позитронном коллайдере похожи на нанесение мелкой сетки на рисунок и кропотливого изучения всех лиц, одного за другим.

LEP был настолько точным прибором, что с его помощью оказалось даже возможным обнаружить влияние Луны, или, по крайней мере, приливов, которые она вызывает. Каждый день гравитационное поле Луны притягивает Землю, а в ЦЕРНе эти крошечные деформации Земли каждый день вызывают растяжение и сжатие общей длины туннеля LEPа примерно на миллиметр. В масштабах двадцатисемикилометровой пучковой трубы не так уж много – но этого достаточно, чтобы вызвать крошечные колебания энергии электронов и позитронов. И такой высокоточный инструмент, как LEP, их быстро уловил. После первых недоумений по поводу странных суточных колебаний энергии частиц физики ЦЕРНа быстро разобрались в том, что происходит. (Кстати, такой способ обнаружения Луны ничем не отличается от того метода, которым астрофизики доказывают существование темной материи во Вселенной, а именно – по наличию ее гравитационного воздействия.) А еще LEP зарегистрировал всплески токов утечки, возникавшие в момент отправления высокоскоростных поездов TGV от вокзала Женевы и заметно менявшие режим работы тонко настроенной машины.

Но LEP был сконструирован не для того, чтобы физики с его помощью определяли воздействие Луны на Землю или время отправления поездов. Они хотели найти бозон Хиггса. И в какой-то момент им показалось, что они нашли его.

После десятилетия очень успешной работы, в ходе которой были проведено множество прецизионных измерений свойств частиц Стандартной модели (хотя новых частиц обнаружено не было), в сентябре 2000 года планировалось LEP остановить и демонтировать, чтобы освободить место для БАКа. Зная, что их машине осталось жить всего несколько месяцев, инженеры и техники решили пойти ва-банк и, используя все возможные резервы и ухищрения, выжали из нее энергию 209 ГэВ. Такую большую энергию на этом ускорители никогда раньше даже и не мечтали получить. Команда LEP рассудила так: если коллайдер сломается – ну так что ж, он все равно уже был «сбитым летчиком».

Когда пучки частиц разогнали до этих невиданных энергий, ученые из группы детектора ALEPH во главе с Сау Лан Ву – профессором Университета Висконсин-Мэдисон – заметила несколько событий, выделявшихся на фоне остальных. Появилось всего несколько слабых намеков, но именно таких сигналов следовало бы ожидать, если бы бозон Хиггса скрывался в области масс вокруг 115 ГэВ – прямо на краю того диапазона энергий, где LEP мог отслеживать события. Профессору Ву принадлежит несколько важных научных результатов, в частности она в составе группы ученых получила премию Европейского физического общества за эксперимент 1979 года, который помог установить существование глюонов. И вот теперь она как будто взяла след бозона Хиггса и не намерена была упустить возможность его поймать.

Обычно несколько многообещающих событий в детекторе частиц – еще не причина для радости, даже если они выглядят в точности как Святой Грааль, за которым вы и ваши коллеги охотились годами. В физике элементарных частиц очень важна статистика: почти все события, которые видны в детекторе, могут произойти множеством способов, и весь фокус в том, как отличить процесс, идущий без новой частицы, от процесса, который наблюдается при ее появлении. Так что если несколько событий намекают на что-то интересное, нужно просто собрать больше данных. Сигнал либо усилится, либо исчезнет.

Но как собрать больше данных, если ЦЕРН собирается выключить ускоритель? И тогда Ву и другие физики обратились к Лучано Майани – он в то время был генеральным директором ЦЕРНа – с просьбой продлить работу LEPа для сбора большего количества данных. Все понимали важность возможного открытия и то, какое сожаление все испытают, если машину остановят как раз тогда, когда появилась надежда найти бозон Хиггса. Не часто удается первыми увидеть элементарную частицу, особенно ту, которая играет ключевую роль в физике. Как с пафосом сказал Патрик Жано, «мы вписываем новую строку в историю человечества». Кроме всего прочего, в ЦЕРНе знали, что их конкуренты из Фермилаба, исследовательского центра, расположенного в пригороде Чикаго, также нацелились на поиски бозона Хиггса на своем ускорителе – Теватроне. И ученые ЦЕРНа боялись, что американцы найдут Хиггса раньше, чем БАК начнет работать, поскольку область энергий порядка 115 ГэВ была вполне доступной для Теватрона. Физика элементарных частиц, конечно, немыслима без международного сотрудничества, но это не значит, что в душе каждого ученого не горит огонь соперничества.

Майани, оценив все, что было поставлено на карту, выбрал компромисс: LEP будет все-таки закрыт, но только после того, как проработает еще один месяц, – до октября 2000 года. Охотники на бозон Хиггса поворчали немного и бросились собирать дополнительные данные в поисках событий, подтверждающих участие бозона Хиггса. И они нашли их – правда, всего несколько, но зато не только на детекторе ALEPH, где работала команда Ву, но на четырех других детекторах LEPа. Но собрали они и множество «фоновых» событий, которые вообще ничем не намекали на присутствие бозона Хиггса.

Когда дополнительное время, отведенное LEPу для работы, подошло к концу, общая статистическая значимость предполагаемого появления бозона Хиггса даже уменьшилась. Сигнал потерялся за фоновыми событиями. Можно было разрешить LEP и дальше работать, но это привело бы к серьезным задержкам в графике строительства БАКа, что означало бы увеличение расходов и перенос на более позднюю дату запуск долгожданного Большого коллайдера. Как бы заманчиво это ни было – в последний момент схватить за хвост жар-птицу, но настало время LEPу уйти на пенсию и передать эстафетную палочку другим ускорителям.

Американские лаборатории: SLAC, Брукхейвен, Фермилаб

Кроме ЦЕРНа, успешно объединившего усилия многих стран Европы (а в последнее время и мира) для создания ведущей физической лаборатории, очень много сделали для понимания природы частиц и сил и другие научные лаборатории. В частности, значительный вклад в «сборку» Стандартной модели внесли три американские лаборатории: Национальная ускорительная лаборатория SLAC (Стэнфордская национальная ускорительная лаборатория) при Стэнфордском университете в Калифорнии, Брукхейвенская лаборатория на Лонг-Айленде и Фермилаб в окрестностях Чикаго.

SLAC первоначально было аббревиатурой полного названия «Stanford Linear Accelerator Center» – Стэнфордского центра линейного ускорителя, но в 2008 году министерство энергетики США официально переименовало его в «Центр линейного ускорителя SLAC» по-видимому, потому, что кто-то из начальников был любителем рекурсий. (Более правдоподобная версия состоит в том, что Стэнфордский университет не хотел, чтобы министерство энергетики использовало в товарном знаке аббревиатуру, содержащую имя университета).

Основанный в 1962 году, SLAC – уникальное место для физиков элементарных частиц, поскольку там сконструирован линейный ускоритель высоких энергий – частицы летят в нем не по кольцу, а по прямой. Здание, в котором находится ускоритель, имеет в длину 3.2 километра – это самое длинное сооружение в США и третье по длине в мире. (Первое место занимает Великая китайская стена, а второе – Форт Рэникот в Пакистане – военная крепость XVII века.) Изначально в этом ускорителе разгонялись электроны, которые потом врезались в неподвижные мишени. В 1980-х годах ускоритель подвергся модернизации, после чего там стали сталкивать электроны с позитронами, а еще позже в лаборатории появился и кольцевой ускоритель, а линейный используют в качестве первой ступени.

SLAC сыграл ключевую роль в открытии нескольких частиц, в том числе очарованного кварка и тау-лептона, но, несомненно, его основной вклад состоял в том, что с его помощью было показано, что сама идея «кварков» – правильная. За это открытие в 1990 году была присуждена Нобелевская премия Джерому Фридману и Генри Кендаллу из Массачусетского технологического института (MIT) и Ричарду Тейлору из лаборатории SLAC, которые в 1970-х годах использовали пучок электронов, ускоренный на SLACе, для изучения внутренней структуры протонов. Команда SLAC – MIT тогда показала, что низкоэнергетические электроны проходят прямо сквозь протоны, не особо отклоняясь, в то время как электроны с высокой энергий (которым, как логично было бы предположить, еще легче пройти сквозь протоны), чаще всего отклонялись под странными углами. Как известно, частицам с более высокими энергиями соответствуют колебания с меньшей длиной волны, поэтому они более чувствительны к тому, что происходит на очень малых масштабах. Те препятствия, на которые натыкались высокоэнергетичные электроны, оказались очень маленькими частицами, живущими внутри протонов. Это явилось первым доказательством существования хорошо знакомых нам сейчас кварков.

Брукхейвенская национальная лаборатория была основана в 1947 году. За работы, сделанные в Брукхейвене, получены семь различных Нобелевских премий: пять по физике и две по химии. В частности, мюонное нейтрино, за открытие которого Ледерман, Шварц и Штейнбергер получили одну на троих Нобелевскую премию, было обнаружено в Брукхейвене. В настоящее время основной вклад в исследование элементарных частиц вносит расположенный там релятивистский коллайдер тяжелых ионов (RHIC) – кольцо длиной почти 4 километра, где сталкиваются друг с другом тяжелые ядра, и в результате образуется своего рода кварк-глюонная плазма типа той, что существовала вскоре после Большого взрыва. Составители Книги рекордов Гиннеса зарегистрировали достигнутый на RHIC температурный рекорд – там была получена наивысшая из всех когда-либо полученных в искусственных условиях температура – более семи миллионов градусов по Фаренгейту (примерно 4 миллиона градусов Цельсия), что в 250 000 раз выше, чем температура в центре Солнца. Цель исследований на RHIC состоит не столько в поисках новых частиц, сколько в исследованиях поведения кварков и глюонов в этих экстремальных условиях.

Еще один важный центр физики высоких энергий – Национальная ускорительная лаборатория имени Ферми, или кратко – Фермилаб. Главное сооружение Фермилаба – гигантские кольца, где протоны и антипротоны ускоряются до высоких энергий; благодаря им Фермилаб на протяжении большей части своего существования был прямым конкурентом ЦЕРНа. Фермилаб был основан в 1967 году, первым его руководителем стал Роберт Уилсон – ученый-универсал и гениальный администратор, прославившийся среди физиков своей креативностью и способностью добиться практически невозможного. При нем новая лаборатория была не только построена досрочно, но и на меньшие, чем предусмотрено бюджетом, средства. Кроме того, Уилсон сам спроектировал главное здание лаборатории и создал множество скульптур, которые вдохнули в это место жизнь и сделали его неповторимым. Когда Уилсон, который какое-то время обучался ваянию в Академии изящных искусств в Риме, предложил возвести на территории лаборатории 10-метровый металлический обелиск, ему было отказано, поскольку правила профсоюза сварщиков требуют, чтобы все сварочные работы проводились только членами профсоюза. Реакция Уилсона была необычной, но очень характерной для него: он вошел в союз сварщиков, поступил учеником к главному сварщику механического цеха Фермилаба Джеймсу Форестеру и послушно прошел курс обучения. Обелиск, который Уилсон сооружал в обеденное время и выходные дни, был установлен в 1978 году недалеко от главного здания.

Гордостью лаборатории Ферми был Теватрон – громадная машина, в которой сталкивались протоны с антипротонами при энергиях 2000 ГэВ. (Вспомним, что «ТэВ» означает один терраэлектронвольт, что составляет один триллион электронвольт или 1000 ГэВ.) Завершенный в 1983 году Теватрон был тогда ускорителем с самой высокой энергией в мире, пока этот титул не перешел в 2009 году к БАКу. Свой звездный час Теватрон пережил в 1995 году, когда на нем был открыт необычайно массивный истинный (top) – кварк. Гордон Уоттс из Университета Вашингтона, который был в то время аспирантом в лаборатории Ферми, вспоминает момент, когда сигнал поднялся выше важного порога «три сигма» (подробнее про него будет сказано в главе 9), что позволяло объявить об открытии новой частицы:

Мы собрались на одно из серии важных заседаний, где обсуждались результаты всех анализов, которые должны были вот-вот докладываться на ближайшей конференции. В каждом анализе наблюдался небольшой избыточный сигнал, но он был столь маленьким, что не выглядел особенно значимым. На самом деле примерно те же результаты демонстрировались достаточно регулярно, мы все привыкли к ним, и на этот раз проигнорировали. Заканчивалось одно из заседаний этого обычного марафона, комната была переполнена, я сидел на полу фактически в самом конце аудитории. Было жарко, и воздух в помещении был… ммм… тяжелым (мягко говоря). Мы уже ждали последнего выступления, но тут один из слушателей, который, видимо, вошел в аудиторию достаточно рано, раз ему достался стул, поднял руку и произнес:… «Э-э…, минуточку… я делаю самую простую операцию: складываю весь фон и все сигналы и получаю больше трех сигм». В аудитории наступила тишина, все вспоминали, что было сказано в докладах, и пытались понять, прав автор реплики или нет. И тут либо докладчик, либо председатель собрания открыл рот… и грязно выругался. Я думаю, у всех холодок пробежал по спине.

Но долгожданный бозон Хиггса оставался вне пределов досягаемости Теватрона. С меньшими энергией и светимостью, чем у БАКа, американская машина всегда была аутсайдером в этой гонке. И только после того, как LEP был отключен, а БАК еще не заработал, у сотрудников Фермилаба появились шансы на то, что они первыми найдут надежные свидетельства существования таинственной частицы. Однако им это не удалось – физики с Теватрона смогли только исключить некоторые диапазоны масс, в которых бозона Хиггса не могло быть.

30 сентября 2011 года Теватрон был отключен навсегда – у американцев не хватало денег, да еще заработал БАК, гораздо более мощный. Закончилась работа последнего крупного коллайдера частиц высоких энергий на территории США. (Релятивистский коллайдер тяжелых ионов в Брукхейвене выполняет важную работу для ядерной физики, но он – не конкурент в поисках новых частиц, поскольку его максимальная энергия меньше 10 ГэВ на нуклон.) Будет ли у него когда-нибудь преемник, пока не известно.