Цивилизация
В среду, 10 сентября 2008 года, внимание всех физиков планеты приковано к швейцарской Женеве. В 9.30 по среднеевропейскому времени (11.30 мск) операторы, сидящие за мониторами компьютеров в центре управления Большим адронным коллайдером (LHC) Европейского центра ядерных исследований (CERN), начали проводку пучка протонов по всей 27-километровой длине главного кольца ускорителя. Тесты проводятся последовательно – сначала один сектор, потом два, потом три и так далее, пока протоны не начнут циркулировать по всей длине кольца.
В 10:26:30 по местному времени (12:26:30 мск) пришёл сигнал о том, что протоны прошли полный круг, и руководитель проекта LHC, валлийский физик Лин Эванс объявил об успехе операции. Находящиеся в контрольном зале инженеры и учёные, как водится, разразились апплодисментами и принялись обнимать и поздравлять друг друга. Гигантское кольцо заработало.
Правда, пока собственно ускорением частиц оно заниматься не будет – если всё пойдёт по плану, то протоны будут бегать по кругу с той же скоростью, с которой их впрыснет в кольцо каскад из нескольких «предускорителей», энергия их составит около 0,45 ТэВ на протон. Сначала учёные убедятся в том, что этот бег стабилен, что частицы удерживаются точно в середине вакуумной трубы мощнейшим магнитным полем почти двух тысяч электромагнитов с охлаждаемыми жидким гелием сверхпроводящими катушками, что частицы не расползаются в сторону от этой оси и не ударяются о стенки труб. И лишь после этого начнут подстраивать аппаратуру к тому, чтобы импульсы электромагнитного поля вовремя «захватывали» протоны и, разгоняя, несли вперёд со всё увеличивающимися скоростью и энергией. Случится это явно не сегодня.
Затем потребуется проделать ту же процедуру с протонами, которые будут двигаться в противоположном направлении, и только после этого случится то, чего так опасаются многие обыватели: два пучка, несущиеся навстречу друг с другу со скоростью 99,999998% скорости света, начнут сводить друг с другом в нескольких точках этого огромного кольца.
Здесь начнётся самое интересное – частицы станут сталкиваться.
И, по прогнозам скептиков, тут могут появиться и микроскопические чёрные дыры, которые засосут в себя CERN, Монблан, а затем и всю Землю, кроме космонавтов на борту Международной космической станции, и коварные страпельки, которые очень скоро превратят нашу планету в «странное» состояние, и магнитные монополи, и даже зловещий «истинный вакуум», который со скоростью света принесёт конец свету в том виде, в котором мы его знаем. И пусть тщательнейший анализ всех мыслимых сценариев физического Армагеддона, который проводили в том числе и российские физики, показал, что бояться нечего, это не останавливает ни судебные иски с требованием не допустить запуска LHC, ни тревогу в сердцах тысяч человек, озабоченных судьбой нашего мира.
Так или иначе, на все проверки, подстройки и сведение пучков уйдут ещё один-два месяца. И то если не обнаружится никаких непредвиденных трудностей вроде неправильно включенных электромагнитов или пары пустых бутылок из-под Heineken в вакуумной трубе, как это случилось с предшественником LHC – большим электронно-позитронным ускорителем, работавшим до конца 1990-х годов в том же тоннеле на границе Швейцарии и Франции.
Так что LHC-паранойя может продолжиться почти всю осень.
Впрочем, склонные к истерии индивидуумы пока показывают категорическое неприятие рациональных аргументов. Так что можно надеяться, что ничего не значащий с точки зрения новых результатов прогон по 27-километровому тоннелю протонов с энергиями, на которых физики работают уже не первый десяток лет, сможет успокоить хотя бы часть армии LHC-скептиков.
Кто никак не может согласиться с утверждением о малой значимости сегодняшнего события – так это физики, и особенно те несколько тысяч из них, что участвовали в подготовке крупнейшего эксперимента в истории науки, на подготовку которого были потрачены около 6 миллиардов швейцарских франков (примерно $3 млрд). Кстати, около 3% этой суммы были внесены Россией – в виде оборудования, изготовленного российскими институтами или на российских заводах. В самом CERN над постройкой LHC и систем обработки его данных трудились почти тысяча российских учёных.
Физики считают сегодняшнее событие завершением двадцатилетней истории проектирования и постройки LHC, а также надеются, что он завершит период развития науки, в течение которого не случилось ни одного серьёзного экспериментального потрясения основ так называемой Стандартной модели физики частиц. Эта теория, способная описать все электромагнитные и ядерные взаимодействия на микроуровне, была завершена в 1970-х годах, и вот уже 30 лет – а это целое поколение научных работников – не находится ни единого значимого события в физике элементарных частиц, которое бы не удавалось бы уложить в рамки этой модели.
Так что физики ждут итогов сегодняшнего эксперимента, затаив дыхание, и сердца их будут биться быстро-быстро ещё, по-видимому, не один год – пока идут новые данные, а в гигантском объёме информации, получаемой с четырёх основных детекторов LHC, вырисовывается картина «новой физики». Отчасти той, контуры которой уже набросали теоретики, но даже более той, о которой пока никто не догадывается.
Однако помимо чего-то нового
учёные рассчитывают увидеть в этих данных и последний кирпичик Стандартной модели, который так и не удалось пока получить экспериментально, – так называемый хиггсовский бозон.
Хотя обилие в последние месяцы разговоров о нём и особенно неизменно сопровождающие их словосочетания «частица бога» или «божественная частица» начинают провоцировать рвотный рефлекс, физикам очень хочется закрыть страницу поисков такой важной, но такой неуловимой единицы устройства мира. Именно поле, колебания которого и называют хиггсовскими бозонами, позволяет снять одно из противоречий квантовой теории поля, связанное с близкодействием слабого и сильного ядерного взаимодействия. Забесплатно те же колебания дают массу всем частицам, из которых состоит материя, – лептонам и кваркам.
Грубо говоря, чтобы сдвинуть протон или электрон с места, приходится преодолеть сопротивление этих колебаний, хиггсовских бозонов; это сопротивление мы и называем инерцией, стремлением сохранить покой и так далее – в общем, ненулевой массой. К гравитационной массе, которой планеты и звёзды притягиваются друг к другу, эта инертная масса не имеет прямого отношения (квантовая теория пока не описывает тяготение), но, согласно общей теории относительности, инертная и гравитационная масса равны.
Многие учёные, исходя из анализа экспериментов на других ускорителях, полагают, что когда в следующем году LHC выйдет на свою рабочую энергию около 14 ТэВ, следы хиггсовского бозона появятся в экспериментальных данных. 14 ТэВ, или 14 тераэлектрон-Вольт – это энергия, в 14 триллионов раз больше той работы, что электрон производит, двигаясь между полюсами, батарейки с напряжением в 1 В. Значение, кстати, вполне макроскопическое – это кинетическая энергия летящего комара. Общая же энергия всех протонных сгустков, циркулирующих в любой момент в тоннеле под Женевой, будет соответствовать энергии локомотива скоростного электропоезда. И мощность, чтобы её поддерживать, понадобится не маленькая – на работу LHC и обслуживающих его центров CERN будет забирать из европейской электросети 200 МВт электричества.
Конечно, гарантии, что «хиггс» будет найден на LHC, нет.
Например, знаменитый британский астрофизик Стивен Хоукинг в интервью BBC рассказал, что поставил $100 на то, что LHC не найдёт хиггсовской частицы. Ставка, надо признать, неразумная – ведь если частицу откроют, деньги придётся отдавать сразу, а «неоткрытия» придётся ждать как минимум до конца работы ускорителя, продолжать которую рассчитывают по меньшей мере полтора-два десятка лет.
Видимо, Хоукинг считает, что увидеть следы «новой физики» – например той, в которой масса у частиц появляется каким-то другим способом, – стоит $100. Более того, многие физики считают, что найти признаки физики за пределами Стандартной модели будет даже проще, чем найти частицу Хиггса.
Очень внимательно в данных LHC будут искать следы суперсимметрии.
Эта теория наводит мосты между «источниками взаимодействия» вроде электронов или протонов и «переносчиками взаимодействия» вроде фотонов или глюонов, предполагая, что у каждой обычной, известной нам частицы есть «суперсимметричный партнёр», или «суперпартнёр». При очень больших энергиях «супердрузья» неотличимы друг от друга, но эта симметрия нарушается при малых энергиях. Чего, впрочем, хватает, чтобы решить многие проблемы не только в физике элементарных частиц, но и в космологии – например, каждый «супердруг» уравновешивает вклад партнёра в полную энергию вакуума, которая в противном случае должна быть чудовищно огромной и сделать существование Вселенной невозможным.
Кроме того, заодно решается и ещё одна астрономическая проблема – скрытой массы, или тёмной материи. Самая лёгкая из «суперчастиц» должна быть, тем не менее, очень массивна и стабильна, да притом практически не взаимодействовать с обычным веществом. Возможно, именно из этих частиц и состоит тёмная материя, масса которой во Вселенной примерно в 10 раз больше, чем всего обычного вещества. Не будь этой скрытой массы, галактики не могли бы существовать. По мнению члена-корреспондента РАН Игоря Ивановича Ткачёва, найти следы суперсимметрии в данных LHC даже более вероятно, чем хиггсовского бозона.
Тем не менее ждать всех этих результатов придётся довольно долго – минимум месяцы, а то и годы.
Сегодняшний пуск – если всё пройдёт благополучно – в некотором роде символическое событие, хотя, безусловно, и очень важное с точки зрения работы прибора. Современная физика устроена таким образом, что для обнаружения чего-то нового нужно не «увидеть новую частицу», а накопить достаточно данных, чтобы уверенно утверждать, что какой-то маленький сигнал на графике – не статистическая флуктуация, а реальный признак того или иного явления.