Шон Кэрролл - 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], 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.
