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

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.)

Сначала в качестве председателя группы стратегического планирования ЦЕРНа, а затем в качестве генерального директора лаборатории с 1989 по 1993 год Руббиа энергично продвигал проект БАКа еще тогда, когда LEP не закончил свою работу, а в США строительство ССКа не было остановлено. В Европе имелись свои финансовые проблемы, особенно в ФРГ, где незадолго до этого произошло воссоединение двух Германий, и затраты на него все время возрастали. Постепенно Руббиа смог убедить европейские правительства, что адронный коллайдер должен стать следующим шагом в развитии лаборатории ЦЕРН независимо от того, что делают другие страны. Но только в 1991 году Совет ЦЕРНа принял резолюцию, в которой официально зафиксировал решение изучить предложения по проекту БАКа, а окончательно проект БАК был утвержден лишь в декабре 1994 года (уже после остановки строительства ССК). Лин Эванс был назначен директором БАКа, и ученые и инженеры вплотную занялись решением сложнейшей задачи воплощения идеи в реальность.

Главный архитектор проекта

В проекте, рассчитанном на долгие годы, в котором участвовало столько людей и стран и в котором было столько сложнейших подпроектов, несправедливо приписывать слишком большую роль одному человеку, преуменьшая тем самым вклад множества других участников. Тем не менее если кто-либо и должен быть персонально упомянут среди создателей БАКа, так это Лин Эванс.

Эванс производит впечатление скромного человека. Седой и импозантный, в общении вполне демократичен. Он родился в горняцкой семье из Уэльса. Его первой любовью была химия, причем особое удовольствие ему доставляло изготовление взрывчатки. И это, возможно, как раз то, с чего должен начинать человек, который в один прекрасный день начнет проектировать машину для столкновений частиц с самыми высокими энергиями из всех, когда-либо полученных людьми. В университете он переключился на физику, потому что «физика была интереснее и легче». Когда проект БАКа был одобрен, для управления его строительством ЦЕРНу понадобился человек с опытом, но при этом достаточно молодой и энергичный, чтобы довести дело до конца. Эвансу была поставлена сложнейшая задача: в условиях ограниченного бюджета построить машину заданного размера, добиться от нее максимально возможной научной отдачи, попутно решив массу самых сложных за всю историю экспериментальной науки технологических проблем. Именно Эванс придумал, как модифицировать первоначальные планы конструкции БАКа и привести их в соответствие с финансовыми реалиями.

В ходе реализации инженерного проекта такого масштаба всегда возникают непредвиденные препятствия. Благодаря LEP для БАКа уже имелся готовый туннель, но для четырех крупных детекторов, необходимых при исследовании столкновений, требовалось выкопать новые котлованы. Детектор CMS планировали установить на противоположной стороне кольца (если смотреть от основного здания ЦЕРНа), недалеко от французского города Сесси. И вот когда рабочие начали копать, они случайно натолкнулись на остатки римской виллы IV века! Там обнаружились ювелирные изделия и монеты, имевшие хождение на территориях, ставших позже Англией, Францией и Италией. Неоценимая для историков находка обернулась для физиков задержкой, грозящей нарушением всех графиков. Строительство было остановлено на шесть месяцев, во время которых археологи исследовали руины.

А потом выяснилось еще одно неприятное обстоятельство. Оказалось, что над котлованом, в котором должен помещаться детектор CMS, протекала подземная река. Просачивание воды было не столь сильным, чтобы помешать работе детектора, но оно мешало проведению земляных работ. Команда строителей нашла выход: в яму опустили трубы, по которым тек жидкий азот, замораживающий воду, и копать твердую землю стало намного легче, чем выкачивать жижу. Эванс говорил, что это «было просто здорово».

Эванс и все другие сотрудники ЦЕРНа, работавшие на строительстве БАКа, упорно продвигались к цели. Помимо технических проблем, мешали работе и правительства европейских стран, участвовавших в проекте, постоянно угрожавшие урезать их взносы в ЦЕРН. От руководителей проектов, связанных с физикой элементарных частиц, требуются не только познания в физике и технологиях, но и дипломатическая хитрость и политическое чутье. Важный импульс развитию проекта в 1997 году придало решение США инвестировать в БАК $2 млрд. Все официальные «государства-члены» ЦЕРНа – это европейские государства: Австрия, Бельгия, Болгария, Чехия, Дания, Финляндия, Франция, Германия, Греция, Венгрия, Италия, Нидерланды, Норвегия, Польша, Португалия, Словацкая Респуб лика, Испания, Швеция, Швейцария и Великобритания. Множество других стран подписало соглашения, позволяющие их ученым работать в ЦЕРНе. США (как и Индия, Япония, Россия и Турция) имеет статус государства-«наблюдателя», что подразумевает участие в физических экспериментах и заседаниях Совета ЦЕРНа, но официально такая страна не участвует в обсуждении стратегических планов лаборатории. США – безусловный тяжеловес, и принятые американцами на себя важные обязательства сыграли значительную роль в успехе БАКа. (Не менее важна роль Японии и России.) Более тысячи американских физиков вскоре приехали в ЦЕРН работать на БАКе.

Эванс по своему характеру не начальник, ему легче самому возиться с оборудованием, не боясь запачкать руки, чем требовать от подчиненных, чтобы они тщательно вели записи проходящих работ. Само строительство БАКа проводились в соответствии с планом, но постепенно накапливались небольшие перерасходы средств. Момент истины наступил в 2001 году, когда стало ясно: ускоритель приблизительно на 20 % дороже, чем предусматривалось первоначальным бюджетом. На открытом заседании совета ЦЕРНа генеральный директор Лучано Майани вопреки совету Эванса обнародовал величину перерасходованных средств и прямо заявил, что государства-члены должны оплатить дополнительные расходы.

Естественно, те не пришли в восторг от такой перспективы. Роберту Аймару, который стал следующим генеральным директором после Майани в 2004 году, Совет ЦЕРНа поручил присматривать за менеджментом уникальной машины. Некоторые члены Совета засомневались в том, что Эванс подходит для этой бюрократической роли, и посчитали, что тут нужен другой человек – более жесткий. Но Аймар понял, что уникальное знание Эвансом коллайдера намного важнее, чем мягкость его стиля руководства, и он был оставлен на посту директора проекта. Позже Эванс вспоминал: «Меня, признаться, тогда как следует поджарили. Тот год был самым худшим за весь период моей работы на БАКе».

После инцидента 19 сентября, произошедшего уже после запуска машины, Эванс сказал: «Авария стала последним звеном в цепи неудач, и это было тяжелым ударом. Однако, у меня бывали сложные моменты и в прошлом».

Ускорение частиц

В игре тетербол один конец веревки прикрепляется к мячу, а другой – к верхушке столба. Два игрока стоят по разные стороны столба, бьют по мячу, стараясь намотать веревку вокруг столба. А теперь представьте, что есть только один игрок и что веревка не закреплена неподвижно, а на ее конце петля, которая может свободно скользить вокруг столба. Тогда веревка уже не будет накручиваться на столб, и на каждом обороте игрок, ударяя по шару, будет подталкивать мяч все время в одном и том же направлении и разгонять его до все более высоких скоростей.

В сущности, в этом и состоит основная идея ускорителей частиц. Роль мяча играют пучки протонов, а роль веревки, которая удерживает мяч на круговой траектории, – сильные магнитные поля, заставляющие протоны двигаться по искривленным траекториям в кольце. А вот роль игрока, ударяющего по мячу, играют электрические поля – они подталкивают протоны, чтобы на каждом обороте их скорость увеличивалась.

Протоны чрезвычайно малы по сравнению с предметами, с которыми мы имеем дело в повседневной жизни, – их размер около одной десятитриллионной сантиметра в поперечнике. Вы не можете просто взять один из них в руку и бросить или ударить по нему, когда он пролетает мимо. Для ускорения протонов в БАКе электрический генератор создает во время прохождения частиц электрическое поле, меняющее свое направление с частотой около 400 миллионов раз в секунду. Коммутации очень точно синхронизованы по времени, так что каждый протон при движении в туннеле всегда чувствует электрическое поле, направленное в одном и том же направлении, в результате он быстро набирает большую скорость. Это ускорение создается только в одной точке в кольце, а большая часть усилий на всей длине 27-километрового кольца тратится не на ускорение протонов, а на то, чтобы они сохраняли направление своего движения по круговой траектории внутри кольца.

Когда БАК будет работать в полную силу, там будет в общей сложности около 500 триллионов протонов в двух пучках, в одном из которых протоны движутся по кольцу по часовой стрелке, а в другом – против часовой стрелки. (Цифра приблизительная, поскольку характеристики машины со временем улучшаются.) Это большое количество протонов, но оно очень мало по сравнению с их количеством, содержащимся в любом обычном предмете. Все протоны в БАКе находятся в одной невзрачной канистре с водородом, для всех посторонних она выглядит как огнетушитель. Из этой канистры извлекают небольшое количество молекулярного водорода, который подвергают удару электрическим током, в результате чего электроны обдираются, а протоны отправляются в путь (молекула водорода состоит из двух атомов, каждый из которых содержит один протон и один электрон). Лин Эванс, обучавшийся в юности взрывным наукам, а не физике элементарных частиц, начал свою карьеру в ЦЕРНе, занимаясь именно этой проблемой. В канистре содержится около 10²⁷ атомов водорода, и протонов в них хватит примерно на миллиард лет работы БАКа. Протоны – не дефицитный ресурс.

Протоны загружают в БАК не непрерывно, а порциями – «загрузками», причем вся загрузка отправляется в работу сразу и гоняется там примерно десять часов (или до тех пор, пока пучок по какой-то причине не деградирует). Сначала протоны пропускают с максимальной осторожностью через серию предварительных ускорителей, а оттуда они, наконец, попадают в главное кольцо. И здесь малейшая небрежность недопустима. Протоны в двух циркулирующих пучках распространяются не равномерно – они группируются в тысячи «банчей» (порций или сгустков) в каждом пучке, причем в одном таком банче находится около 100 миллиардов протонов. Сгустки имеют длину 2–3 см, летят на расстоянии примерно 7 метров друг от друга и фокусируются в очень тонкую иглу. Пучок при движении протонов по кольцу имеет диаметр, примерно равный одному миллиметру, – такой же как грифель карандаша – и при входе банча в детектор перед столкновением дополнительно фокусируется, и его диаметр сужается до нескольких тысячных сантиметра. Протоны все имеют одинаковый положительный электрический заряд, поэтому, естественно, стремятся растолкать друг друга, и главной проблемой становится удержание такого тонкого пучка в нужных параметрах.

Кроме энергии сталкивающихся частиц у ускорителя есть еще одна важная характеристика – «светимость», она определяется числом частиц, участвующих в процессе. Вы можете подумать, что считается число всех частиц, летящих по кольцу, но в реальности имеет значение только число столкновений, а большое количество частиц приводит к большому количеству столкновений, лишь если пучок очень сильно сфокусирован. В течение 2010 года главным для создателей БАКа было испытание всех частей машины, ведь требовалось убедиться, что все они находятся в рабочем состоянии, поэтому светимость тогда была не очень высокой. К 2011 году все узлы в значительной степени были проверены, и число столкновений увеличилось примерно в 100 раз по сравнению с предыдущим годом. В 2012 году успешная работа продолжилась, и в течение первой половины года физики арегистрировали больше столкновений, чем за весь 2011 год. Это огромное количество полученных данных и позволило обнаружить бозон Хиггса раньше, чем ожидалось.

Скорость и энергия

У протонов в БАКе большая энергия, потому что они быстро мчатся – со скоростями, очень близкими к скорости света. Каждый массивный объект, человек ли это, автомобиль или протон, обладает некоторым количеством энергии даже когда он неподвижен, и, согласно формуле Эйнштейна, эта энергия покоя есть E = mc². Но когда объект движется, он приобретает дополнительную – «кинетическую» – энергию, величина которой зависит от величины его скорости. В повседневной жизни энергия движения на много порядков меньше энергии, которую объект имеет в состоянии покоя только потому, что обычные скорости гораздо меньше скорости света. Самый быстрый в мире самолет – экспериментальный самолет НАСА, называемый X-43, – в состоянии ускориться до скорости 11230 км/ч. Но и при этой скорости энергия движения самолета добавляет лишь одну десятимиллиардную к его энергии покоя.

Протоны в БАКе летят намного быстрее, чем X-43. В ходе первых экспериментов 2009–2011 годов они разгонялись до скоростей, равных 99,999996 % скорости света, или примерно 1 079 022 114 км/ч. На этих скоростях энергия движения гораздо больше энергии покоя. У протона энергия покоя чуть меньше 1 ГэВ. При первом запуске Большого адронного коллайдера были получены протоны с энергией 3500 ГэВ, или коротко 3,5 ТэВ, так что, когда два из них сталкивались, общая их энергия в момент столкновения достигала 7 ТэВ. В 2012 году при столкновении протонов была получена общая энергия 8 ТэВ. Цель же физиков – достичь 14 ТэВ. Для сравнения в Теватроне, работавшем в Фермилабе, максимальная полная энергия достигала примерно 2 ТэВ.

При скоростях, близких к скорости света, вступает в игру теория относительности. Она учит нас, что на высоких скоростях пространство и время для движущихся предметов меняются: время замедляется, а длина – вдоль направления движения – уменьшается. Как следствие, путь по кольцу длиной 26,7 км любому высокоэнергетичному протону покажется гораздо короче, если, конечно, протоны в состоянии замечать такие вещи. Для протона с энергией 4 ТэВ один виток кольца будет равным всего лишь примерно 7 м. Когда же его энергия достигнет 7 ТэВ, этот путь уменьшится до 4 м.

Что такое энергия 1 ТэВ? Не то, чтобы много – примерно такая энергия движения у летящего комара – вы и не заметите, если он столкнется с вами. Важно не то, что 4 ТэВ (или любая сравнимая с ней энергия) – большая, а то, что вся эта энергия сосредоточена в одном протоне. И помните, что в БАКе одновременно крутится 500 триллионов протонов. Если взять пучок в целом, можно уже говорить о серьезных энергиях – примерно таких же, как у мчащегося на вас локомотива. Вряд ли вам захотелось бы оказаться у него на пути.

Или все не так страшно? Хотя протоны в БАКе и собираются в большие банчи, они фокусируются в очень тонкий луч. Может, большая часть протонов пройдет сквозь вас, не причиняя вреда?

И да, и нет. Никто в БАКе никогда не ставил на пути пучка какие-нибудь части своего тела, да это и невозможно – пучки плотно закупорены в вакуумной трубе и просто так человек оказаться там не может. Но в 1978 году один несчастный советский ученый по имени Анатолий Бугорский все же умудрился подставить голову прямо под пучок высокой энергии. (Стандарты безопасности в России на протвинском синхротроне У-70 были гораздо менее строгими, чем те, что установлены сейчас в ЦЕРНе.) Энергия пучка, который пронзил Бугорского, была равна всего 76 ГэВ – существенно меньше, чем в БАКе, но тем не менее это большая энергия. Он не погиб на месте – более того, он и сегодня все еще жив. Бугорский позже рассказал, что видел вспышку света, «ярче тысячи солнц», но не почувствовал боли. У него возник радиационный рубец, он потерял слух на левое ухо, левая сторона лица вообще была парализована, и до сих пор он страдает от периодических приступов боли. Но Бугорский выжил, у него не возникло психических нарушений, он защитил кандидатскую диссертацию и в течение многих лет после инцидента продолжал работать на ускорителе. Тем не менее эксперты не рекомендуют подставляться под пучки протонов высокой энергии.

Причина, по которой голову Бугорского не разорвало на мелкие кусочки, в том, что многие протоны прошли сквозь ткани его головы, не провзаимодействовав с ними. А в БАКе часто встает задача обратная задача – «загасить» энергию пучков, а это значит, что нужно всю энергию пучка куда-то отвести. (Если бы просто замедлить протоны, они бы безопасно рассеялись, но это технически сложно.) Представить масштаб полной энергии пучка можно еще одним способом – найти тротиловый эквивалент. Эта величина оказывается равной примерно 80 кг в тротиловом эквиваленте, и всю эту энергию в конце каждой загрузки, то есть примерно каждые десять часов, нужно как-то гасить.

Эксперименты показали, что если пучок протонов в БАКе направить на медную болванку, его энергии будет достаточно, чтобы расплавить тонну меди. Поскольку нежелательно, чтобы эти мчащиеся пучки, случайно отклонившись, врезались в тщательно отъюстированную экспериментальную установку, предварительно ослабленный пучок отклоняют от нормальной траектории пучка специальными магнитами, затем идет расфокусировка, после чего он проходит еще около километра перед тем, как врезаться в специальной графитовый «блок сброса». Графит особенно хорошо поглощает энергию, не плавится, несмотря на то что температуры там достигают 760 °С. В таком блоке содержится в общей сложности около 10 т графита, а сам он помещен в экранирующий 1000-тонный кожух из стали и бетона. Ему требуется всего несколько часов, чтобы остыть, и вот уже все готово для гашения следующего пучка.

Мощные магниты

Мы представляем себе БАК в виде гигантского кольца длиной 26,7 км, но на самом деле он больше похож на искривленный восьмиугольник, поскольку кольцо разделено на восемь частей – восемь дуг, а концы этих дуг соединены прямыми отрезками около 2,5 км длиной. Если бы вам пришлось войти в одну из дуг туннеля БАКа, вы увидели бы ряд больших голубых труб, тянущихся в обоих направлениях. Это «дипольные магниты», которые направляют протоны по траекториям внутри пучковых труб. В каждой дуге имеется 154 трубы, и каждая из них имеет длину около 15 м и вес более 30 т. Большая часть внутреннего пространства каждой трубы занята сверхпроводящим магнитом, охлаждаемым жидким гелием, а по самому центру идут две узкие пучковые трубы, в которых движутся пучки протонов – в одной частицы движутся по часовой стрелке, в другой – против.

Если какая-либо заряженная частица, например протон, покоится в стационарном магнитном поле, она не чувствует вообще никакой силы и может там спокойно оставаться бесконечно. Но если заряженная частица летит через магнитное поле, она отклоняется от прямой линии. (Если через поле пролетит нейтральная частица, ее траектория не изменится.) Вспомним, что энергия пучка в БАКе сравнима с энергией движущегося поезда, а потому БАКу нужны невероятно мощные магниты, ведь сильно искривить траекторию протонов не так-то легко.

Мощность магнитов должна быть достаточной, чтобы обеспечить максимально возможную энергию протонов в туннеле фиксированного размера. Земля тоже имеет магнитное поле, которое позволяет с помощью стрелки компаса установить, где север, а где юг. Поле внутри каждого из дипольных магнитов БАКа примерно в 100 000 раз сильнее поля Земли, и обычные материалы для его изготовления не подходят, нужны сверхпроводники. В магнитах БАКа используется почти 8000 километров кабелей, изготовленных из сверхпроводящих материалов на базе ниобия и титана, охлаждаемых до сверхнизких температур 120 т жидкого гелия. Внутри БАКа холоднее, чем в космосе: температура магнитов ниже, чем у космического фонового излучения, сохранившегося после Большого взрыва.

Температура – не единственный критерий, по которому БАК переплюнул космическое пространство: в пучковых трубах поддерживается очень высокий вакуум – настолько высокий, что давление внутри трубы примерно такое же, как атмосферное давление на Луне. Если бы внутри труб был воздух, протоны постоянно натыкались бы на его молекулы и пучок бы рассыпался.

Перед тем как машину запустили в первый раз, команда БАКа очень волновалась, достаточно ли тщательно откачана пучковая труба. Когда в 1983 году в Фермилабе заработал Теватрон, первые попытки раскрутить протоны быстро закончились неудачей. Виновника довольно быстро нашли – им оказался случайно застрявший в трубе маленький кусочек ткани. Но легко ли обследовать трубу ускорителя длиной 27 км при том, что сами пучковые трубы имеют в поперечнике только около 2,5 см? И тут у техников возникла гениальная идея: они сделали шарик из ударопрочного поликарбоната, похожий на мячик для пинг-понга, внутрь засунули радиопередатчик и покатили по трубе. Если бы шарик остановился, техники смогли бы отследить по сигналу передатчика, где это произошло. То была отличная идея, и кое-кто, вероятно, почувствовал разочарование, когда шарик выкатился, не встретив ни единого препятствия. Трубе была выдана справка об абсолютном здоровье.

Магниты в БАКе – самые крупные и громоздкие части машины, они олицетворяют мощь технологических инноваций и эффективность международного сотрудничества. Такой уровень точности, какой необходимо обеспечить для столкновения пучков, не обходится дешево. Трудно установить точную стоимость БАКа, поскольку часть денег расходуется на содержание лаборатории в целом, но цифра 9 млрд долларов – хорошая оценка для общего бюджета. По словам физика Джан Джудайса, «если пересчитать в евро за килограмм, то килограмм дипольных магнитов на БАКе – самого дорогого элемента ускорителя – стоит примерно столько же, сколько килограмм швейцарского шоколада. Будь БАК построен из шоколада, он бы стоил примерно столько же».

Шоколад может не восприниматься как слишком дорогой продукт, ведь мы время от времени его покупаем и едим. Но обычно все-таки меньшими порциями, чем двадцатисемикилометровая шоколадка, сделанная из самого лучшего шоколада. Посчитайте, сколько бы она стоила!