Шон Кэрролл - Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира
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:
