Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира - Шон Кэрролл

Излюбленная единица энергии для физиков, работающих с элементарными частицами, – электронвольт, эВ. Один эВ – это количество энергии, которое потребуется для перемещения одного электрона в электростатическом поле между точками с разностью потенциалов в один вольт. Другими словами, требуется девять электронвольт энергии для перемещения электрона с положительного на отрицательный электрод девятивольтового аккумулятора.

Один электронвольт – совсем маленькая энергия. Энергия одного фотона видимого света составляет около двух электронвольт, в то время как кинетическая энергия летящего комара – около триллиона эВ. Количество энергии, которое можно получить, сжигая галлон (примерно 4,5 литра) бензина – больше 1027 эВ, а количество питательной энергии в бигмаке (700 калорий) составляет около 1025 эВ. Таким образом, один эВ – действительно небольшая энергия.

Поскольку масса является формой энергии, физики и массы элементарных частиц измеряют в электронвольтах. Массы протона или нейтрона равны почти миллиарду электронвольт, в то время как масса электрона – полмиллиона эВ. Масса бозона Хиггса, как показало его открытие на БАКе, равна 125 миллиардов эВ. Поскольку один эВ так мал, мы часто используем более удобную единицу – ГэВ, гигаэлектронвольт (один миллиард эВ). Можно также встретить обозначение кэВ для килоэлектронвольт (одна тысяча эВ), МэВ для мегаэлектронвольт (один миллион эВ) и ТэВ для тераэлектронвольт (один триллион эВ). В 2012 году на БАКе столкнулись протоны с суммарной энергией 8 ТэВ, а планируемый максимум энергий для этого ускорителя составляет 14 ТэВ. Это более чем достаточная энергия для того, чтобы родились бозоны Хиггса и другие экзотические частицы, проблема лишь в том, как их обнаружить, когда они появятся.

Можно даже температуру выражать в эВ, поскольку температура – всего лишь средняя энергия молекул в веществе. В таких единицах комнатная температура равна двум сотым электронвольта, а в центре Солнца – около 1 кэВ. Когда температура становится выше массы некоторой частицы, энергия при столкновениях достаточна для создания этой частицы. Даже в центре Солнца, где довольно жарко, температура не столь высока, чтобы рождались электроны (0,5 МэВ), а тем более протоны или нейтроны (массы обоих примерно равны 1 ГэВ), зато в момент Большого взрыва температура была огромной, и этой проблемы не возникало.

Если природа захочет спрятать от нас частицу, самый простой способ – сделать ее такой тяжелой, чтобы мы не смогли произвести ее в лаборатории. Вот почему при строительстве ускорителей всегда преследовалась одна и та же цель – добиваться все более высоких энергий, и вот почему эти установки получают имена вроде Беватрона и Теватрона. Достичь беспрецедентно высоких энергий – все равно что попасть в место, где никто до этого никогда не был.

Официальное название ЦЕРНа (CERN) – женевской лаборатории, в чьем ведении находится БАК, – Европейская организация по ядерным исследованиям, или по-французски: Organisation Europeenne Pour La Recherche Nucleaire. Вы можете заметить, что сокращение не соответствует нынешнему названию (то же самое и с английским названием). Это потому, что нынешняя «Организация» является прямым потомком Европейского Совета по ядерным исследованиям – Conseil Europeen Pour La Recherche Nucleaire, от которого и произошло название, но все согласились на том, что нужно оставить старую аббревиатуру даже после того, как полное название было официально изменено. Никто не настаивал на изменении аббревиатуры на неблагозвучное «ОЕРН».

Совет был создан в 1954 году группой из двенадцати стран, стремившихся оживить физические исследования в послевоенной Европе. С тех пор ЦЕРН превратился в форпост физики элементарных частиц и ядерной физики и стал интеллектуальным центром европейской науки. Женева – второй по величине город в Швейцарии, мировой финансовый и дипломатический центр, славящийся издавна своим часовым производством. Теперь и ЦЕРН стал достопримечательностью Женевы, и каждый из шестнадцати пассажиров в женевском аэропорту так или иначе связан с ЦЕРНом. Когда вы летите в Женеву, наверняка в вашем самолете сидит пара церновских физиков.

История ЦЕРНа, как и истории большинства других крупных лабораторий, где ведутся исследования элементарных частиц, – это история строительства все больших и совершенных ускорителей, развивающих все более высокие энергии. В 1957 году был запущен Синхроциклотрон, который ускорял протоны до энергии 0,6 ГэВ, а в 1959-м состоялась инаугурация Протонного синхротрона, который развивал энергию 28 ГэВ. Он функционирует и сегодня, но уже в качестве предускорителя, обеспечивая пучками другие ускорители (в том числе БАК), где частицы разгоняются до еще больших скоростей.

Важный шаг вперед был сделан в 1971 году, когда был построен первый адронный коллайдер (Intersecting Storage Rings – Пересекающиеся накопительные кольца, ISR), в котором предельная полная энергия доходила до 62 ГэВ. ISR был одновременно и протонным коллайдером, и ускорителем. В предыдущих установках протоны ускорялись и направлялись на неподвижные материальные мишени, куда частицам относительно легко попасть. В ISR сталкивались пучки, двигавшиеся в противоположных направлениях (встречные пучки). Эта задача гораздо сложнее в технологическом смысле, но, решив ее, можно достичь более высоких энергий, так как тут вся энергия до последней капельки идет на создание новых частиц. (При работе с неподвижной мишенью вследствие закона сохранения импульса большая часть энергии пучка тратится на «отдачу» мишени.) Идея построения коллайдера частиц была впервые выдвинута в 1950 году Джерардом О’Ниллом – американским физиком, больше прославившимся своим проектом создания среды обитания человека в космическом пространстве. А в 1960-х годах небольшие электрон-позитронные коллайдеры были сконструированы и построены во Фраскати, в Италии австрийским физиком Бруно Тушеком.

Длина коллайдера ISR составляла примерно 1,2 километра. Это была большая машина, но в будущем предстояло построить еще большие. В 1976 году был открыт Протонный суперсинхротрон (SPS) длиной около 6,9 километров, его энергия достигала 300 ГэВ. Всего лишь несколько лет спустя, приняв смелое решение, ЦЕРН модернизировал SPS. Если первоначально там ускорялись протоны, в новой конфигурации должны были сталкиваться протоны с антипротонами. Антипротоны трудно получить, и с ними трудно работать. Они – не то что протоны, которых полно вокруг. Сперва нужно создать антипротоны в столкновениях при более низких энергиях, а затем аккуратнейшим образом собрать их, ни в коем случае не допуская случайных встреч с протонами, иначе частицы аннигилируют, испустив свет. Но если с этим справиться, то возникает огромное преимущество: протоны и антипротоны имеют противоположные заряды, и следовательно, одним и тем же магнитным полем их можно направлять по одинаковым круговым траекториям, но в противоположных направлениях. (В БАКе сталкиваются протоны с протонами, и следовательно, нужно использовать две отдельные трубы для пучков, несущихся в противоположных направлениях.) Итальянский физик Карло Руббиа в 1983 году на модернизированном синхротроне SPS открыл переносчики слабого ядерного взаимодействия W– и Z-бозоны, получив за это в 1984 году Нобелевскую премию.