Kitabı oku: «Тончайшее несовершенство, что порождает всё. Долгий путь к частице Бога и Новая физика, которая изменит мир», sayfa 5

Властелины колец

Для открытия новых частиц необходим такой ускоритель, в котором они могут появляться. То есть такой, где возможны столкновения, энергия которых превышает массу искомых частиц. Что это за энергия, мы знаем из знаменитого соотношения эквивалентности энергии и массы Эйнштейна. Когда частицы одного пучка сталкиваются с частицами другого, энергия столкновения может превратиться в массу рождающихся при этом частиц, и чем больше энергия столкновения, тем более массивные частицы могут рождаться, тем ближе мы становимся к пониманию первых мгновений жизни Вселенной сразу после Большого взрыва. Отсюда и стремление строить все более мощные ускорители.

В качестве сталкивающихся частиц используются наиболее распространенные электрически заряженные частицы – электроны и протоны, а иногда и их античастицы – позитроны и антипротоны. Заряд необходим, поскольку они разгоняются и удерживаются внутри тоннеля ускорителя в соответствии с законами электромагнетизма. Очень сильные электрические поля создают ускорение, и энергия частиц растет, а сильные магнитные поля искривляют траектории ускоренных частиц, делая эти траектории круговыми.

В ускорителях первого типа используются электроны и позитроны; это точечные частицы, не обладающие размером. При лобовом столкновении они аннигилируют, то есть исходные частицы исчезают и их энергия полностью превращается в энергию рождающихся частиц. С экспериментальной точки зрения ситуация предельно ясна: новые частицы можно получать и изучать в условиях, максимально близких к идеальным. Однако недостаток электрон-позитронных ускорителей заключается в том, что они не позволяют добраться до достаточно высоких энергий. Эти частицы слишком легкие, и при движении по круговым траекториям значительная часть их энергии теряется в виде излучения; попросту говоря, они испускают особую разновидность электромагнитных волн, называемую синхротронным излучением.

Ускорители же, использующие протоны (или антипротоны), от этого избавлены. Поскольку эти частицы намного тяжелее электронов, их синхротронное излучение значительно меньше, а стало быть, можно достичь и куда более высоких энергий. Но, в отличие от электрона, у протона, состоящего из кварков и глюонов, конечные размеры и сложная пространственная структура. И процесс столкновений сильно усложняется.

Внутри протона в основном пустота. Если бы мы могли растянуть его до размеров комнаты, то области, в которых бы обнаруживалось вещество, занимали в ней лишь небольшой объем. И кварки внутри него, и глюоны, обмениваясь которыми кварки удерживаются вместе, оказались бы крупинками размером в несколько миллиметров. Поэтому неудивительно, что в подавляющем большинстве случаев при столкновении двух протонов не происходит ничего интересного: чаще всего они проходят по касательной друг к другу и выходят из столкновения целыми и невредимыми, лишь слегка отклонившись от своей траектории. Если же случается лобовое столкновение, то протоны разрушаются и часть их энергии уходит на образование новых частиц. В тех редчайших случаях, когда лобовое столкновение касается и тех крошечных зон, в которых сосредоточена материя кварков и глюонов, высвобождается максимум энергии, и именно в этих редчайших случаях образуются наиболее массивные частицы – в том числе, возможно, и невиданные ранее. Но поскольку к лобовому столкновению этих занятых кварками и глюонами зон приводит лишь очень малая часть сталкивающихся протонов, в среднем максимальная энергия каждого из них, которая может быть использована для рождения новых частиц, составляет лишь малую часть от полной энергии ускоренного протона.

Опыт последних десятилетий свидетельствует о том, что два основных типа ускорителей в некотором смысле дополняют друг друга. Электрон-позитронные – идеальный инструмент для тонких исследований, в которых нужна высокая точность, а протонные ускорители можно назвать ускорителями открытий: подобно тарану, они пробивают стены на энергетических границах, позволяя обнаруживать за ними все новые и новые частицы.

В обоих случаях энергия – это ключевой параметр. Во-первых, потому, что если ускоряемые частицы не добираются до определенного порога, то и нет никакой надежды на прямое получение искомых массивных частиц. Во-вторых, потому что вероятность получения массивных частиц в протонных коллайдерах сильно возрастает с увеличением энергии столкновений: чем она выше, тем больше будет нужных частиц. А чем больше будет частиц, тем яснее обозначатся каналы распада и характерные сигнатуры, которые приведут к регистрации наиболее четких сигналов и, возможно, позволят нам открыть нечто важное для понимания Вселенной.

Высокие энергии подразумевают частицы, которые можно удерживать на круговых траекториях только очень сильными магнитными полями, а для этого требуются дорогостоящие магниты. Предел определяется текущим развитием технологии. Максимальное значение напряженности магнитного поля определяет минимальный радиус кривизны траектории частицы; этим и объясняется возникновение современных гигантских ускорителей.

Наконец, количество частиц, образующихся в ускорителе, зависит также от частоты столкновений, достижимой в данном ускорителе для данного процесса. На техническом жаргоне ее называет светимостью. Сочетание этих двух параметров – энергии и светимости – определяет успех или провал запланированного научного эксперимента.

Чрезмерная скромность в требованиях к характеристикам нового ускорителя позволит сэкономить на затратах при его строительстве, но тогда вся затея теоретически обречена на неудачу. Для рождения нужных частиц может не хватить энергии, или их может оказаться недостаточно для получения четкого сигнала. А кто‑то другой тем временем построит более мощный ускоритель или ускоритель с лучшей светимостью и придет к открытию раньше. В этом случае никто и не вспомнит о сэкономленных средствах, зато все навсегда запомнят огромные инвестиции, вложенные в провальный проект. Но верно и обратное: слишком футуристический проект тоже может ожидать фиаско, потому что ускоритель не удастся запустить или даже просто достроить из‑за лавинообразно растущих расходов.

Именно на такой тонкой грани, фактически на лезвии бритвы, приходится балансировать физику-экспериментатору в области элементарных частиц при разработке своих проектов, а то и в целом при построении карьеры. Физика высоких энергий – это жесткая конкурентная среда, где стремление ученых достичь вершин знаний часто переплетается с амбициями государств, стремящихся сохранить или занять лидирующие позиции в одной из ведущих высокотехнологических отраслей. На таком скользком игровом поле и большой научный успех, и оглушительный провал могут в равной степени зависеть от какого‑нибудь пустяка.

От Уоксахачи до Большого адронного коллайдера

Соединенные Штаты лидировали в физике высоких энергий на протяжении большей части XX века. Так было по крайней мере с 1930 года, когда 29‑летний Эрнест Лоуренс, едва став молодым профессором в Беркли, нашел способ сделать ускорители частиц более компактными и эффективными: он изобрел циклотрон – первый ускоритель, в котором частицы движутся по круговым траекториям. Прочее же стало возможным благодаря огромным инвестициям и успеху Манхэттенского проекта. С тех пор все администрации США неизменно поддерживали чем далее, тем более амбициозные проекты, надеясь, что, раскрыв секреты материи, удастся получить доступ к неизведанным источникам энергии. В течение десятилетий длилась непрерывная череда успехов, закреплявших неоспоримое мировое лидерство американцев. Каждый, кто хотел принять участие в передовых исследованиях в области физики высоких энергий, должен был купить билет в одну из лабораторий США.

Когда Руббиа открыл W- и Z-бозоны, это вызвало в Америке настоящий шок. Ведь тамошние ученые уже давно готовились к тому, что сами добьются этого – очередного! – успеха и в итоге непременно получат Нобелевскую премию. Еще в 1974 году они предложили построить в Брукхейвене, недалеко от Нью-Йорка, новый ускоритель и даже выбрали для него красивую аббревиатуру: он должен был называться “Изабель” (Isabelle, то есть красивая [belle] Isa, от ISA – Intersecting Storage Accelerator).

Новая установка предполагалась как кольцевой протонный ускоритель с энергией 400 ГэВ в центре масс столкновений, более чем достаточной для получения и идентификации столь желанных носителей слабого взаимодействия. Строительство началось в 1978 году, но довольно скоро возникли серьезнейшие проблемы, связанные со слишком рискованным выбором конструкции.

Для “Изабель” физики планировали использовать сверхпроводящие магниты. Сверхпроводимость – это особое физическое свойство, возникающее при определенных условиях у некоторых веществ, когда они перестают оказывать электрическое сопротивление проходящему току. Это позволяет избежать колоссальных потерь, характерных для обычных проводников, когда по ним течет ток огромной силы, что необходимо для создания магнитных полей, достаточных при удержании высокоэнергетических протонов на замкнутых траекториях. Однако сверхпроводимость – дело непростое. Во-первых, потому, что она возникает только при температурах, близких к абсолютному нулю: сверхпроводящие катушки должны постоянно находиться в самой холодной из доступных на Земле сред – в жидком гелии при температуре около –269 °C²⁰. Во-вторых, сверхпроводимость пропадает в присутствии интенсивных магнитных полей и сильных токов, то есть именно в тех условиях, которые необходимо создать. Справиться с этими сложностями можно только с помощью весьма специальных технологий и точного их соблюдения.

Поначалу проект “Изабель” казался надежным и хорошо продуманным. Первый сверхпроводящий магнит с нужными для нового ускорителя характеристиками был изготовлен в 1975 году, и всевозможные испытания не выявили никаких проблем. Ускоритель был профинансирован и официально одобрен в качестве инициативы, имеющей стратегическое значение для США. 27 октября 1978 года забитый в землю колышек ознаменовал начало строительства, и все вроде бы пошло хорошо. В январе 1979 года из компании Westinghouse прибыл первый магнит, качество которого эта компания, взявшая на себя промышленное изготовление магнитов, гарантировала, – как и качество всех прочих. Однако первый магнит испытаний не прошел. И второй тоже. После этого началась бесконечная эпопея: физики проекта возлагали вину на инженеров Westinghouse, а те, в свою очередь, винили физиков. Пока длилась эта многолетняя склока, в ЦЕРН открылось окно возможностей, которым удачно воспользовался Карло Руббиа. Когда стало ясно, что игра за “Изабель” проиграна, от проекта окончательно отказались. Это произошло в июле 1983 года, спустя несколько месяцев после сообщения Руббиа об открытии W- и Z-бозонов и после того, как было потрачено 200 миллионов долларов.

Именно шоком 1983 года объясняются последующие шаги американских физиков и американской администрации, приведшие в итоге к нынешней бескомпромиссной глобальной гонке за первенство в области физики высоких энергий. В прямой конкуренции с американскими корифеями ЦЕРН тогда впервые показал, что он в чем‑то сильнее. США требовалось срочно что‑то предпринять.

Все силы были немедленно сосредоточены в Фермилабе под Чикаго – в лаборатории, продемонстрировавшей способность освоить технологию производства сверхпроводящих магнитов и запустившей в эксплуатацию Тэватрон – ускоритель протонов и антипротонов, аналогичный тому, который привел к открытию Руббиа, но способный достигать энергий в четыре раза выше. И тут же возникла мысль о новом проекте, который бы навсегда утвердил американское превосходство в этой области и похоронил европейские амбиции.

В том же году, когда закрылась “Изабель”, на первый план – благодаря красноречию Леона Ледермана, тогдашнего директора Фермилаба, – вышла идея строительства гигантского ускорителя, получившего название Сверхпроводящий суперколлайдер, или сокращенно SSC (Superconducting Super Collider). Он мыслился как великан, насчитывающий в окружности 87 км, где протоны должны были разгоняться до энергии в 40 ТэВ (то есть в сто раз большей, чем в “Изабель”) по траекториям, искривляемым 8 700 сверхпроводящими магнитами, аналогичными той тысяче магнитов, которые были успешно созданы для Тэватрона. Это был бы самый большой и мощный ускоритель в мире, позволяющий не только открыть бозон Хиггса, но и раскрыть самые сокровенные тайны материи. А главное, с его помощью удалось бы восстановить мировое первенство США в области физики высоких энергий.

Развитие нужных технологий привело бы к росту использования сверхпроводников в новых методах распределения электроэнергии; а новые методы обработки большого объема данных подтолкнули бы США к еще большим успехам в области высокопроизводительных вычислений.

Это были годы президентского срока Рейгана, который выступал за новый, гораздо более агрессивный, чем ранее, вариант доминирования США в мире. Поэтому ему импонировала идея суперускорителя, обнуляющего мечты европейцев о превосходстве и возвращающего Соединенным Штатам пальму первенства в физике частиц. Местоположением нового ускорителя была выбрана полупустынная часть штата Техас, соседствующая с небольшим городком с труднопроизносимым названием Уоксахачи, что на языке аборигенов, населявших эту равнину столетие назад, означает “коровий хвост”. 4,4 млрд долларов – бюджет не маленький, но вполне посильный для такой богатой страны, как США. В конце концов, в те же годы NASA выделят аналогичную сумму на Международную космическую станцию – совместный проект, осененный отнюдь не только звездно-полосатым флагом.

В 1987‑м проект SSC был одобрен, и его финансирование началось. Десятки опытных физиков и сотни талантливых молодых людей, только что получивших докторские степени, переехали вместе с семьями на хлопковые поля к югу от Далласа, где были построены первые здания. Огромные механические кроты, углубившись на десятки метров под землю, старательно рыли длинный тоннель.

Тем временем ЦЕРН, окрыленный успехом с W- и Z-бозонами, запустил новый амбициозный проект – LEP, или Большой электрон-позитронный коллайдер (Large Electron-Positron Collider), предназначенный для прецизионного изучения этих самых Z- и W-бозонов. Чтобы получать миллионы Z-бозонов в год, необходимо ускорять электроны и позитроны до энергии 45 ГэВ, а ограничивать потери из‑за синхротронного излучения можно только одним способом – максимально увеличивая радиус кривизны. В результате получается огромный ускоритель с окружностью 27 км, который – все в том же волшебном 1983 году, когда Руббиа сделал свое открытие, США отменили “Изабель”, а Ледерман пробил свой SSC, – и начинают сооружать на стометровой глубине.

Основная цель новой установки – измерить все характеристики бозонов, переносящих слабое взаимодействие (в частности их массу и другие свойства), и сравнить их с предсказаниями Стандартной модели. С самого начала планировалось довести энергию пучков до 80 ГэВ, чтобы получать W-бозоны парами, и по возможности продвинуться еще дальше, чтобы отыскать суперсимметрию или бозон Хиггса. Уже тогда продумывался и следующий шаг: в этом тоннеле в дальнейшем можно будет разместить огромный протонный ускоритель. Если технология позволит изготовить сверхпроводящие магниты вдвое большей мощности, чем в Тэватроне, то будут возможны даже столкновения с энергией 14 ТэВ.

Строительство LEP началось без проволочек. Руководство проектом было поручено итальянскому физику Эмилио Пикассо. Пока работы ограничивались осадочными породами обширной женевской равнины, то есть слоями устойчивых отложений, состоящих из галечных морен или компактной молассы, образованной протяженными ледниками горного массива Юрá, когда они простирались до самого моря еще до образования Альп, все шло наилучшим образом. Но везение закончилось, как только механизмы добрались до горных пород. Под Юрá существует сложная система подземных источников воды, настоящий лабиринт рек, давление в которых может достигать 40 атмосфер. Проект несколько раз пересматривался с целью минимизировать протяженность тоннеля под горами. Первоначально предполагавшиеся восемь километров сократились почти до трех – лишь бы обойти стороной все известные водоносные горизонты. Но полностью их миновать не удалось. Глубоко под горным массивом велись взрывные работы, прокладывался тоннель – и вдруг начался кошмар, которого так опасались инженеры, но не предполагали никакие геологические карты: в тоннель под высоким давлением ворвалась струя воды. До завершения строительства оставалось всего несколько сотен метров, но работы пришлось немедленно останавливать. Потом, много лет спустя, именно на этом участке ускорителя, в секторе 3–4, в 2008 году произойдет сбой, который выведет из строя на целый год уже LHC.

Несмотря на все трудности подобного рода, проект завершили в срок, и 14 июля 1989 года огромная инфраструктура была торжественно открыта президентом Франции Франсуа Миттераном. Дату выбрали не случайно. Великое кольцо, гордость европейской техники, удачно вписалось в проникнутые величием празднования двухсотлетия Французской революции.

И едва LEP коллайдер начал работать и давать прекрасные результаты, как Карло Руббиа – да, это опять был он, только что назначенный генеральным директором ЦЕРН, – вновь бросил вызов США, которые незадолго до этого одобрили программу строительства SSC: в 1990 году он объявил на весь мир, что в только что построенном кольце LEP скоро будут циркулировать протоны LHC – европейской альтернативы SSC.

Энергия нового ускорителя ограничивалась размерами кольца. Какие бы суперсовременные сверхпроводящие магниты ни устанавливались по окружности в 27 км, подобраться к энергии в 40 ТэВ, запланированной для SSC, было немыслимо. 14 ТэВ LHC означали, что массивных частиц вроде бозона Хиггса удастся получить меньше; соответственно, уменьшались шансы выиграть соревнование с американцами. Но то, что проиграно за счет энергии, можно отыграть за счет светимости. По мысли Руббиа, светимость LHC должна была в десять раз превосходить светимость SSC. Однако высокая светимость подразумевает очень интенсивные пучки, в которых находится такое большое количество частиц, что с ними практически невозможно совладать; детекторы будут фактически поджариваться радиацией. Чтобы как‑то справиться с этим, требовались значительно более совершенные технологии, чем те, на которые в то время можно было рассчитывать. Казалось, подобная мысль могла осенить только безумца.

За работу взялись физики и инженеры – им надо было наполнить проект деталями. Руководить процессом Руббиа пригласил еще одного итальянца – Джорджо Брианти, одного из ведущих специалистов по ускорителям и магнитам. Выбор оказался как нельзя более удачным. Брианти придумал новаторское решение, которое позволило добиться огромной экономии. Вместо того чтобы строить две независимых линии для двух пучков протонов, движущихся в противоположных направлениях, он предложил разместить две отдельные вакуумные трубы, в которых циркулируют пучки, в одном и том же магните. Эта потрясающая идея помогла вдвое сократить количество магнитов для ускорителя!

Таким образом, LHC, уже использующий тоннель и инфраструктуру LEP, мог бы значительно сэкономить и на магнитах. Для него требовалось построить 1 250 дипольных магнитов, а не 2 500, необходимых в традиционной схеме. Короче говоря, LHC должен был обойтись дешевле SSC, но дать схожие результаты. Многие считали эту идею блефом, однако жребий был брошен.

…И вот наконец 6 августа 1992 года. В Далласе, среди удушающей жары, проходит XXVI конференция по физике высоких энергий, посвященная новому великому американскому научному предприятию. Тысячи физиков со всего мира собрались в месте, где США символически собираются подтвердить свое превосходство. Нас везут в Уоксахачи, где мы видим совершенно новые испытательные линии с первыми магнитами, работающими в соответствии с техническими требованиями. Мы посещаем большие, недавно построенные, но уже полные людей здания. Спускаемся, надев каски, в огромные шахты – преддверия тоннелей. Их уже прорыто несколько километров, и будущее выглядит радужным и безоблачным. Все готово к грандиозному торжеству.

Когда берет слово Руббиа, в конференц-зале становится до неправдоподобия тихо. Карло обрушивает на аудиторию каскад стремительно следующих один за другим слайдов. Вывод, им сделанный, совершенно ясен: LHC будет готов к 1998 году, на нем будет делаться та же физика, что и на американском SSC, но обойдется она вдвое дешевле.

Американцы, привыкшие чувствовать себя отличниками, не любят, когда им так агрессивно, едва ли не нагло дышат в затылок; вот и сейчас они не могут скрыть своего раздражения европейцами и полагают, что Руббиа блефует. Расходы на строительство LHC не будут настолько малы, магниты наверняка не удастся изготовить в срок – но вызов уже брошен, и публика понимает, что игра пойдет всерьез.

Пока в Европе группа амбициозных молодых ученых разрабатывала детекторы невозможных конструкций для LHC, команда SSC в США, пытавшаяся отвечать на инициативы ЦЕРН, начала испытывать серьезные трудности. В особенности это касалось финансирования.

Первый пересмотр сметы расходов был проведен еще в 1989 году, и в результате начальная смета возросла до 5,9 млрд долларов. Позднее, для более надежной регистрации реакций при столкновениях, комиссия экспертов предложила изменить конструкцию магнитов – с тем, чтобы диаметр вакуумной трубы можно было увеличить с 4 до 5 см. Казалось бы, это мелочь, но такое изменение конструкции неизбежно влекло за собой некоторое уменьшение магнитного поля внутри сверхпроводящих катушек, так что бюджет пришлось пересматривать заново: надо было либо магниты ставить чаще, либо тоннель удлинять. Короче говоря, к 1991 году стоимость проекта достигла уже 8,6 млрд долларов. Когда же после энного по счету пересмотра весь проект потребовал вложения 11,5 млрд долларов, стало понятно, что чаша терпения народных избранников переполнена и катастрофа неминуема. 27 октября 1993 года, спустя десять лет после закрытия проекта “Изабель” и всего через год после вызова, брошенного в Далласе Карло Руббиа, Конгресс США подавляющим большинством в 283 голоса против 143 окончательно закрыл проект SSC. К этому времени было потрачено 2 млрд долларов на 23 км тоннеля, который на долгие годы останется немым укором, напоминающим об одном из самых громких научных провалов ХХ века. Полторы тысячи физиков, инженеров и техников, работавших над проектом (причем некоторые из них – не один год) были уволены буквально за пару недель.

Это стало шоком для всего мирового научного сообщества и колоссальным ударом по американскому сообществу физиков, специализирующихся в области физики высоких энергий. Им, возможно, уже никогда не оправиться от последствий такого потрясения.

По иронии судьбы, в тот самый год, когда строительство SSC было окончательно остановлено, Леон Ледерман, один из отцов этого проекта, опубликовал свою самую известную книгу, привлекшую к охоте за бозоном Хиггса интерес широкой публики: The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question?²¹.