В поисках частицы Бога, или Охота на бозон Хиггса - Иэн Сэмпл

За сорок лет работы в ЦЕРНе Эванс потрудился практически на всех коллайдерах, строившихся здесь в разные годы. Пятнадцать лет назад он возглавил команду, начавшую собирать из отдельных узлов главное детище ЦЕРНа — БАК, Большой адронный коллайдер (LHC). Всем было ясно, что именно Эванс должен стать лидером — ведь никто лучше его не знал, как строить ускоритель.

LHC — это современная история ЦЕРНа, но я приехал сюда, чтобы узнать о его прошлом. До того как Эванс был назначен руководителем проекта LHC, он был руководителем предшественника LHC в ЦЕРНе — Большого электрон-позитронного коллайдера (LEP), строившегося в 1983-1988 годах. Поскольку американский проект Сверхпроводящего суперколлайдера почил в бозе, LEP стал первым ускорителем частиц, начавшим серьезную охоту на бозон Хиггса130. Хотя к тому времени “Теватрон” лаборатории Ферми находился в рабочем состоянии, там не удалось зарегистрировать достаточного количества столкновений частиц с высокими энергиями, так что у американских ученых пока не было шансов поймать бозон Хиггса. Потребовалась серьезная модернизация как самой машины, так и детекторов, чтобы “Теватрон” стал главным охотником за неуловимыми частицами. Но это случилось уже через 15 лет после запуска LEP.

Когда LEP был построен, эта машина оказалась крупнейшей научной установкой в мире и самой сложной из всех, с которыми когда-либо имел дело ЦЕРН. Строительство и эксплуатация коллайдера подняли столько проблем, что их хватило на учебные примеры для студентов технических вузов на десятилетия вперед. ЦЕРН славился тем, что его ученые умеют сталкивать протоны друг с другом. Но LEP был уходом от традиции — он предназначался для столкновений электронов и позитронов — эквивалентов электронов в антивеществе. Поскольку и электроны и позитроны — истинно элементарные частицы, их нельзя разбить на более мелкие части, столкновение их друг с другом лоб в лоб приводит только к выделению энергии, которая превращается в совершенно новые виды материи.

Офис Лина Эванса находится недалеко от столовой, в пяти минутах езды на машине. И вот мы входим в его кабинет. Проглядев какие-то бумаги, лежавшие у него на столе, Эванс садится и начинает свой рассказ. Полки за его спиной заставлены фрагментами ускорителя, а среди фотографий, которыми увешана одна из стен, есть снимок Эванса рядом с Питером Хиггсом. “LEP был уникальной машиной”, — с удовольствием вспоминает Эванс.

Планировалось, что коллайдер будет запущен в два этапа. На первом пучки частиц, прежде чем столкнуться, должны ускориться примерно до 50 ГэВ каждый. Задача этого этапа заключалась в том, чтобы получить огромное количество Z-частиц и изучить их до мельчайших подробностей. На втором этапе энергия пучков должна быть увеличена до 80 ГэВ каждый, что достаточно для рождения пар W-частиц, которые также планировалось детально изучить.

Если вы собираетесь строить ускоритель элементарных частиц, например такой, как LEP, вам необходимо учесть бесконечное число факторов. Прежде всего вы должны найти компромиссное решение при выборе размеров. Малые кольцевые коллайдеры неэффективны, потому что, когда вы ускоряете электроны на траекториях малого радиуса, они теряют много энергии в виде излучения131. Большие ускорители более эффективны в этом смысле, у них кривизна траектории электронов меньше, однако их строительство гораздо дороже.

В начале ЦЕРН планировал построить для LEP 50-километровое кольцо, но стоимость оказалась заоблачной. Остановились на 27-километровом кольце и четырех огромных детекторах для регистрации новых частиц, которые могли бы появиться на свет при каждом столкновении.

Определившись с размером машины, стали искать место для нее. Принять это решение оказалось не так просто. Большой размер LEP означал, что нужно купить довольно большой участок земли рядом с основной территорией ЦЕРНа, а денег на это не хватало. Дешевле было привлечь сверхмощные бурильные машины и прорыть туннель для коллайдера под землей. Подземный вариант имеет много преимуществ. Слой земли над ускорителем эффективно защищает от излучаемой им радиации, кроме того, он защищает и сам ускоритель от возможных вредителей-диверсантов. И кроме всего прочего, подземный вариант позволяет не испортить красивый сельский пейзаж — на фоне идиллического ландшафта не появится металлический монстр, окруженный забором из колючей проволоки.

Но есть и минусы. Постройка под землей машины такого размера, как LEP, требует тщательного планирования и ювелирной техники. И еще — когда что-то портится под землей, это что-то очень трудно ремонтировать.

И все-таки ЦЕРН выбрал подземный вариант, но это решение породило череду новых проблем. Если начертить на земле кольцо LEP, оно окажется слишком большим, чтобы втиснуться между аэропортом Женевы с одной стороны и горами Юра с другой. Под землей проблем оказалось не меньше. Аэропорт был построен на породе, состоящей из смеси камня и рыхлой почвы, так что бурение туннеля в ней было сущим кошмаром. А под горами Юра залегали пласты известняка, пронизанные разломами и трещинами с водой. Геологи-эксперты предупредили, что попытка пересечь хотя бы один из этих разломов может увеличить бюджет проекта на 16 млн долларов и задержать запуск ускорителя больше чем на год.

Прежде чем приступить к сооружению туннеля, инженеры ЦЕРНа пробурили множество разведочных скважин, чтобы нарисовать подробнейший геологический портрет региона. С его помощью они наконец поняли, что нужно делать. Они слегка сдвинули положение туннеля, затем наклонили, чтобы он плавно опускался вниз с глубины около 50 метров в предгорьях Юры до глубины более чем 100 метров под аэропортом. Таким образом, почти весь бетонный туннель четырехметрового диаметра был проложен в твердых породах.

Местные законы в районе, где расположен ЦЕРН, таковы, что нельзя просто прийти и установить колоссальный ускоритель элементарных частиц — или что-нибудь еще в этом роде — под чьим-то домом, не спрашивая разрешения у хозяев. Коллайдер LEP пересекал извилистую франко-швейцарскую границу четыре раза и проходил прямо под домами, расположенными по обе стороны границы. Если вы живете в Швейцарии, закон страны гласит, что вам принадлежит земля под вашим домом на глубину примерно 30-50 метров. Принимая такой закон, власти имели в виду, что он не позволит коммунальным предприятиям помешать владельцам дома построить подземный гараж или даже вырыть артезианскую скважину. Во Франции же соответствующий закон отличается от швейцарского, и кардинально. Если вам посчастливилось жить во Франции, вы владеете землей под вашим домом на всю глубину, до центра Земли. Туннель коллайдера проходил достаточно глубоко, чтобы можно было не беспокоиться на этот счет на швейцарской территории, но во Франции руководству ЦЕРНа пришлось получить письменное разрешение примерно от 2000 домовладельцев, прежде чем строители смогли начать копать. Некоторые из хозяев отказывались подписать соответствующие документы, и на достижение соглашения между ними и французским правительством ушло два года!

Отношения ЦЕРНа с окрестной сельскохозяйственной общиной напряглись после того, как некий физик, работавший в центре, предупредил, что LEP будет отравлять поля — загрязнять окружающую среду, как миллион автомобилей. Неудивительно, что и фермеры, и местные власти страшно возбудились. Ученый тот поднял серьезный вопрос, но исказил факты. Действительно, частицы носятся по кругу внутри ускорителя LEP, и при этом возникает интенсивное рентгеновское излучение, воздействие которого, если бы это происходило в воздухе, могло бы привести к образованию токсичных газов, таких как озон и окислы азота. На земле это создало бы действительно серьезные проблемы, но LEP ведь сидит под землей и заэкранирован свинцом, алюминием, а кроме того, окружен магнитами, которые направляют и фокусируют пучки. Когда инженеры ЦЕРНа учли все эти факторы, расчеты показали, что вредные выбросы из шахт вентиляции эквивалентны всего лишь загрязнению, вызванному несколькими лишними машинами на местных дорогах.

В 1983 году строительство наконец началось. LEP стал крупнейшим гражданским инженерным проектом в Европе. Сооружение 27-километрового кольцевого туннеля было только началом. В восемнадцати точках в туннеле были вырыты вертикальные скважины, чтобы люди могли через эти входы входить и выходить. В каменной породе по периметру туннеля выдолбили четыре огромные пещеры — в них смонтировали детекторы для коллайдера. К этим пещерам добавились еще шестьдесят небольших помещений и ниш. В результате только менее половины из 1,4 млн кубических метров каменной породы, вынутой из-под земли, пришлось на основной туннель, остальные — на пещеры для детекторов и камер.

ЦЕРН тщательно спланировал каждый этап строительства LEP. Но, несмотря на все меры предосторожности, аварии случались. В сентябре 1986 года бурильные машины наткнулись на геологический разлом, и туннель затопило водой. Потребовалось восемь месяцев, чтобы остановить поток, осушить туннель и продолжить бурение. Рядом с аэропортом при попытке просверлить три вертикальные шахты рабочие наткнулись еще на одно препятствие. Смесь земли и камней была пропитана водой по крайней мере до глубины 100 метров, что сформировало природный резервуар, используемый местным населением. Чтобы решить проблему, инженеры вынуждены были опустить трубы в землю там, где должна была проходить шахта, и закачать туда охлаждающую жидкость. Таким образом землю заморозили, превратив ее в твердую породу, которую можно было уже бурить обычным способом.