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

Когда Эмиль Конопинский и Эдвард Теллер стали вычислять, может ли атомный взрыв запустить быстро распространяющуюся реакцию синтеза в атмосфере, у них было достаточно знаний о свойствах атомов воздуха, чтобы быть уверенными в полной безопасности. Их выводы утешали. Тогда их расчеты ознаменовали исторический момент: ученые впервые серьезно отнеслись к тому, что в их власти уничтожить все живое. Марбургер вспомнил этот эпизод, когда публикации в “Scientific American” вызвали всплеск волнений по поводу шансов наступления Судного дня при включении коллайдеров. “У всех на уме была аналогия с испытанием “Троицы”, первой атомной бомбы в мире, — сказал он мне. — Я хотел, чтобы Фрэнк Вильчек имел это в виду, когда писал свою статью”. Испытание “Троицы” 16 июля 1945 года в Нью-Мексико было первой демонстрацией силы ядерного оружия.

Сценарии конца света, которые рассматривали ученые в Брукхейвенской лаборатории и ЦЕРНе, могут показаться нелепыми. Представьте себе: вместо построения коллайдера, что сопряжено с некоторым трудно оцениваемым риском уничтожения мира, некий злокозненный властитель заставляет ученых построить машину для уничтожения планеты. Сначала у них возникнут споры о том, как это сделать. В конце концов последний вариант машины потребует пересмотра бюджета. И даже если она будет построена, прежде чем заработает как нужно, потребуется доработка ее конструкции. Уничтожение планеты — далеко не тривиальное дело.

Во время разговора с Фрэнком Вильчеком о сценариях конца света я подумал, не слишком ли много высокомерия в ученых, если они считают себя способными уничтожить планету, пусть даже и случайно. Его ответ был отрезвляющим: “Классическая физика была по-своему замечательна, но она не была “фантастической” в том смысле, в котором фантастична современная физика. В квантовом мире все иначе, чем в обычном. Есть огромное количество энергии, запертое в субатомных структурах вещества, и никто, опираясь на повседневный опыт, и близко не может этого представить. Назовите это высокомерием, но вполне вероятно, что, поняв все еще глубже, мы сумеем делать нечто, похожее на волшебство. На каждом этапе, по мере того как открываются и осмысляются новые явления, мы должны учитывать все возможные последствия. И тут, я думаю, нет никаких пределов, может случиться все, что угодно. Вот почему мы должны быть осторожны и ответственны”.

Суета по поводу сценариев конца света в 1999 году спровоцировала серьезные дебаты относительно роли науки, характера управления рисками и ответственности ученых перед обществом. Но уже ничто не могло отвлечь и остановить физиков в их стремлении к истине. В Фермилабе близились к завершению работы по серьезному обновлению “Теватрона”, затеянного для улучшения его технических характеристик. После переделки машина должна была приступить к своей первой серьезной охоте на бозоны Хиггса. А в ЦЕРНе коллайдеру LEP оставался всего лишь год работы до закрытия, после чего “Теватрон” становился лидером в гонке за неуловимой частицей.

Глава 9

Гордиев узел

В тот самый год, когда человечество получило представление о том, каким может быть конец света, ЦЕРН решил рискнуть. К 1999 году коллайдер LEP уже проработал десять лет. Кончились все отведенные ему сроки. Оставался лишь год до окончательного закрытия ускорителя, и руководители ЦЕРНа разрешили гонять машину в самом форсированном режиме, на который она только способна. У всех перед глазами маячила одна цель — поймать бозон Хиггса, пока не выключили рубильник.

Коллайдер уже один раз переделывали для работы на энергиях вдвое больших, чем та, на которую он был рассчитан, но и в усовершенствованном ускорителе ни в одном столкновении не обнаружилось ничего похожего на частицу Хиггса. Теперь все, что можно было сделать, — это выжимать максимум энергии из дряхлеющей машины и ждать. Если удача все-таки улыбнется ученым, то они увидят неуловимый бозон, полагали руководители ЦЕРНа.

Выжимание еще большей энергии из коллайдера, который уже и так работает на полную мощность, требует творческого подхода. При этом набор средств невелик. Имея дело с такой уникальной машиной, как LEP, нельзя просто повернуть большой переключатель в следующее положение или позвонить в энергетическую компанию и попросить, чтобы вам добавили чуточку мощности. Опять же, для таких машин не написано руководство для пользователей, полистав которое вы легко выполните нужную операцию.

Руководил работами по выведению коллайдера за конструктивный предел Патрик Жано — французский экспериментатор, поступивший на работу в ЦЕРН в 1987 году. Если в Голливуде когда-нибудь захотят снять фильм об охоте на бозон Хиггса (а о ЦЕРНе уже сняли несколько фильмов, правда весьма сомнительного качества), Жано будет находкой для киношников. Ему около сорока пяти лет, и у него есть все необходимое для супергероя — прекрасная внешность и блестящий ум. Но еще более важна его жизненная позиция. Жано — человек бескомпромиссный и страстный, и не скрывает этого.

Прежде чем попытаться увеличить мощность крупнейшей в мире машины, вы должны знать, что происходит “под капотом”. В 1999 году тем местом, куда можно было пойти и расспросить об устройстве LEP, было строение номер 874, через дорогу от главного кампуса ЦЕРНа. Там располагался мозг коллайдера — центр управления LEP. Отсюда к каждому блоку машины под землей было протянуто оптическое волокно общей длиной более 3000 километров. По нему шли сигналы к машине и обратно в диспетчерскую, где посменно дежурили бригады техников — они неотрывно наблюдали за причудливым танцем сотен тысяч сигналов, непрерывно возникавших на экранах компьютеров.

Жано провел немалую часть 1999 года в диспетчерской. Он беседовал с операторами, слушал их обсуждения, наблюдал, как они работают. Он проник в самые глубинные тайны машины. “Я собрал все сведения, какие смог, чтобы понять, как улучшить работу машины и в конце концов попробовать это сделать, — вспоминал однажды Жано в беседе, происходившей в столовой ЦЕРНа. — Директор по исследованиям поставил передо мной вполне определенную задачу: ввести LEP в режим, в котором мы могли бы обнаружить бозон Хиггса, конечно, если он там был”.

Бозон Хиггса — хитрый зверь, его трудно поймать в ловушку. Частица так неустойчива, живет она всего в 10-16 секунды. Это означает, что, даже если эти бозоны появятся в LEP, они исчезнут в мгновение ока. Физики, специалисты по элементарным частицам, говорят, что частица Хиггса не умеет летать, то есть время ее жизни столь коротко, что нет никакой надежды увидеть ее саму в детекторе. Едва родившись, она сразу распадется на другие, менее интересные для физиков частицы, издав метафорическое шипение. Осложняющим фактором является то, что бозоны Хиггса скорее всего никогда не возникают поодиночке. По-видимому, они рождаются вместе с Z-частицами, которые, в свою очередь, распадаются на кучу других частиц. Чтобы найти бозон Хиггса, вы должны идентифицировать треки всех частиц, образованные ими в детекторе, а затем “отмотать пленку” назад и проверить, а не родилась ли какая-либо из этих частиц из неуловимого бозона Хиггса.

Дело это очень непростое. Другие частицы, рожденные в машине, могли подавать сигналы, похожие на сигналы от бозона Хиггса. Например, как только на ускорителе LEP была достигнута энергия 182 ГэВ, что произошло в конце 1997 года, в столкновениях уже выделялось достаточно энергии для рождения двух Z-частиц. Каждая из них может распадаться на два кварка, производя в сумме четыре частицы. Если вместе с Z-частицей родился бы бозон Хиггса, и та и другая частицы распались бы на кварки, и в обоих случаях картины треков были бы похожи.

Летом 1999 года большинство теоретиков считало, что масса бозона Хиггса находится где-то в интервале 100-250 ГэВ. При работе LEP в форсированном режиме ученые надеялись изучить всю эту область, кроме того, и в планы физиков входило увеличить мощность машины в 2000 году — последнем году работы ускорителя — до еще больших значений. Были и другие веские причины добиваться получения высоких энергий. Следующей машине ЦЕРНа — Большому адронному коллайдеру — будет трудно найти бозон Хиггса с массой меньше примерно 110 ГэВ154. В новой машине при столкновениях будет образовываться столько субатомных осколков, что почти невозможно увидеть следы, оставленные такой легкой частицей. В результате фирменная подпись частицы Хиггса скроется среди следов продуктов распада других, гораздо менее экзотичных частиц. Пока LEP еще работал, нужно было проверить весь диапазон энергий, в котором мог скрываться бозон Хиггса, не оставляя ни одной бреши. Принимался также во внимание фактор конкуренции. Чем шире интервал энергий, исследованных LEP, тем труднее было американскому коллайдеру “Теватрону” опередить его в охоте на бозон Хиггса. Ученые ЦЕРНа даже придумали лозунг: каждый дополнительный ГэВ, выжатый из LEP, означал дополнительный год поисков частиц Хиггса на “Теватроне”.