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

“Это просто мистификация”, — говорит Джон Эллис, пробираясь между мной и прислоненным к стене его кабинета гигантским фотоколлажем, на котором голова Питера Хиггса искусно приделана к телу Бората — главного персонажа знаменитой комедии Коэна 2006 года. “Борат был героем одного из наших рождественских капустников, — объясняет Эллис сюжет фотомонтажа. — Коллаж сделал мой ученик, большой специалист по трюкам такого рода”.

Стол Эллиса в ЦЕРНе завален грудами бумаг с результатами исследований, такие же кипы бумаг свалены в дальнем углу кабинета. Понимая, что мы не увидим друг друга, если будем переговариваться через стол, Эллис выставляет пару стульев в середину комнаты и садится на один из них. Эллис — автор почти 900 научных статей, он известен во всем мире как невероятно плодовитый и разносторонний физик. В частности, он предсказал, как найти глюон — переносчик сильного взаимодействия. Он же высказал предположение, что самая легкая частица, предсказываемая теорией суперсимметрии — это частичка загадочной “темной материи”, невидимого космического вещества, которое составляет 25 процентов массы Вселенной. И он же подсказал ученым лучший способ поиска частиц Хиггса. Эллис очень похож на толкиеновского гениального мага — Гэндальфа. Он учился в Кембриджском университете в 1960-х годах, когда Поль Дирак читал в последний раз свой курс лекций по квантовой теории, а в ЦЕРН пришел работать в 1973 году.

Когда началась первая охота на частицы Хиггса в 1976 году, Эллис занимал кабинет, расположенный в конце коридора. В том же году он и его коллеги теоретики Мэри Гайар и Димитрий Нанопулос опубликовали подробное описание хиггсовского бозона и вероятное его поведение в экспериментах на коллайдере частиц. “Очень немногие люди в те дни интересовались бозоном Хиггса, — говорит Эллис. — Кто бы мог подумать, что понадобится так много времени на его поиски!”

За годы, прошедшие после выхода той работы Эллиса, ученые, кажется, подошли невероятно близко к открытию неуловимой частицы. Эллис хватает кусок мела и выписывает на доске все, что ученые узнали в течение более десяти лет экспериментов в ЦЕРНе и на ускорителе “Теватрон” в Фермилабе, вблизи Чикаго. На предыдущем церновском ускорителе — коллайдере LEP — было показано, что частицы Хиггса должны весить больше чем 114,4 ГэВ. К июлю 2010 года с помощью коллайдера “Теватрон” был исключен интервал масс между 158 и 175 ГэВ. Сопоставив разные экспериментальные результаты, ученые поняли, что, скорее всего, масса хиггсовской частицы находится в интервале между 115 и 130 ГэВ.

В феврале 2010 года БАК должен был заработать и сделать первый серьезный шаг к открытию того, что ученые здесь скромно называют “новой физикой”. Начальство ЦЕРНа решило, что слишком рискованно сразу запускать машину на полную мощность, так что около двух лет подряд она будет работать только в половину своей мощности, то есть каждый из пучков перед их столкновением внутри детекторов ускорителя будет разгоняться до энергии 3,5 ТэВ. Ближе к концу 2011 года коллайдер закроют на три месяца — до 7 февраля 2012 года, чтобы дать инженерам время провести необходимые ремонтные работы. Кроме того, предполагалось усовершенствовать систему безопасности, которая защитит машину от разрушения в случае, если при работе на более высоких энергиях что-то пойдет не так, как планировалось. Только когда все будет сделано, БАК запустят на полную мощность.

Решение эксплуатировать LHC на половине его проектной энергии далось нелегко, но ЦЕРН не мог позволить себе допустить возможность еще одной разрушительной аварии, подобной той, из-за которой машина закрылась на год в 2008 году. Остановка коллайдера надолго — серьезная проблема: не работает машина — нет столкновений, значит, нет результатов. А значит, останавливается развитие физики и пропадает энтузиазм у перспективных студентов, стремящихся получить докторские степени. Многие физики сегодня считают, что, во всяком случае, в ЦЕРНе бесспорного открытия бозона Хиггса до 2015 года ждать не приходится.

Эллис хватает ноутбук и открывает статью с результатами последних — на февраль 2010-го — экспериментов, проведенных на коллайдере “Теватрон” в лаборатории Ферми189. Он указывает пальцем на один из графиков, демонстрирующий, насколько результаты, полученные на американском коллайдере, отличаются от того, что могло бы быть при рождении частиц Хиггса с различными массами. “Интересно, что именно подобное мы и ожидали бы увидеть, если бы родился бозон Хиггса с такой массой”, — говорит он, указывая на часть графика, соответствующую кандидату на бозон Хиггса с массой 115 ГэВ. Это та область, где на предыдущем коллайдере ЦЕРНа в 2000 году увидели трек, напоминающий след хиггсовского бозона. “Теоретики громко спорили тогда, — говорит Эллис, — ведь это мог быть он — прямо там. Очень вероятно, что они уже нашли частицу Хиггса”.

Существует большая разница между “кандидатом на открытие” и настоящим открытием. По состоянию на начало 2010 года правительство США планировало прекратить работу коллайдера “Теватрон” в конце 2011 года, примерно тогда же, когда LHC закроют на переделку190. Большинство физиков считает, что им отпущено слишком мало времени, чтобы устранить сомнения в обнаружении частицы Хиггса. Лучшее, на что ученые с “Теватрона”, по их словам, могли надеяться, — это увидеть намек на рождение частицы Хиггса, похожий на то, что увидели в ЦЕРНе за несколько месяцев до окончательного закрытия коллайдера LEP в 2000 году и что едва не привело в состояние помешательства всю команду ЦЕРНа. “Физики Фермилаба предпринимают невероятные усилия, чтобы сделать это чертово открытие — гораздо большие, чем кто-либо может себе представить. Но они не волшебники, а потому просто не наберут достаточно столкновений за это время, — говорит Эллис. — Даже если им очень повезет, они смогут лишь претендовать на получение некоторых свидетельств, но — не на открытие”.

Однако этот прогноз, возможно, был преждевременным. В сентябре 2010 года директор Фермилаба — Пьер Оддон — во всеуслышание заявил о намерении продлить работу “Теватрона” до 2014 года. Принятия окончательного решения ожидали в начале 2011 года191.

В нескольких минутах ходьбы от офиса Эллиса находится здание номер 40 — де-факто штаб-квартира команды “Атласа”, детектора БАКа, одной из крупнейших научных групп во всей истории науки — в ней работает более 3000 физиков (большая часть при этом не выезжает из своих университетов). Глава группы — итальянка Фабиола Джанотти, приехавшая работать в ЦЕРН в 1987 году. СМИ иногда поднимают страшный шум по поводу того, что женщине доверено возглавлять такой большой коллектив ученых. Вообще говоря, реклама — вещь полезная, но в рекламе такого рода проскальзывают отвратительные сексистские нотки. ЦЕРН — поистине уникальное место, здесь представлены самые разные народы, культуры. Не имеет никакого значения, откуда вы сюда приехали, а также ваш возраст или ваш пол. Важно лишь то, насколько хорошо вы разбираетесь в своей области, страсть, с которой вы отдаетесь науке, и умение ладить с окружающими людьми.

Группа “Атлас” и команда, работающая на соседнем детекторе, называемом CMS, находятся в первых рядах охотников за частицами Хиггса на LHC. Обе группы ученых планировали с самого начала делиться своими данными, чтобы максимально увеличить шансы на открытие. “Частицу Хиггса долго искали, — говорит Джанотти. — Я воспринимаю это как продолжение долгого приключения. В какой-то момент с помощью нашей машины мы скажем решающее слово”.

Существует одна интересная возможность — после столь долгого соревнования, имея в виду предстоящее длительное отключение LHC в конце 2011 года, ученые могут объединить данные, полученные на европейском коллайдере, с теми, что добыты в Фермилабе на “Теватроне”. Если на обеих машинах к тому времени найдут свидетельства существования бозона Хиггса, они вместе могут оказаться достаточными для объявления об открытии. Тогда европейский и американский ускорители закончат охоту на частицы Хиггса и пересекут финишную черту одновременно.