В поисках частицы Бога - Иэн Сэмпл

19 сентября 2008 года Лин Эванс находился в офисе ЦЕРНа. Он был занят — разговаривал с сотрудниками. Неожиданно зазвонил его мобильный телефон — звонок поступил из диспетчерской. Что-то пошло не так, и Эванса попросили поскорее прийти. Лин помчался по кампусу в здание, где технический персонал занимался последними приготовлениями к включению Большого адронного коллайдера — уже для разгона потоков частиц и сталкивания их друг с другом. То, что он увидел, повергло его в ужас. Он не мог поверить своим глазам — везде мигала сигнализация, вакуумная система была разрушена, множество магнитов сгорело, датчики показывали, что огромное облако газообразного гелия быстро распространяется по туннелю, в котором располагался гигантский ускоритель. Катастрофа вызвала аварийное отключение.

Эванс тут же созвал кризисное совещание. Нужно было срочно послать кого-нибудь вниз, в туннель — посмотреть, что случилось. Мешало, однако, облако гелия. По мере того как газ распространялся, он вытеснял воздух, и в туннеле становилось трудно дышать. Вызвали пожарную команду, и пожарники, надев противогазы и взяв баллоны с воздухом, спустились вниз. Несколько часов спустя воздух достаточно очистился от гелия, и инженеры ЦЕРНа смогли сами оценить масштаб повреждений. Перед их глазами открылась картина настоящего побоища. Гигантские магниты были вырваны из бетонных укреплений, соединительное оборудование либо рухнуло, либо было разбито, а вентиляционные двери сорваны с петель. Руины были покрыты сажей, льдом и пятнами расплавленного металла. “Это был сущий кошмар”, — рассказывает Эванс.

А ведь совсем недавно, за девять дней до того, 10 сентября 2008 года, Лин Эванс был необыкновенно счастлив. Внимание всех мировых СМИ было приковано к ЦЕРНу. Поводом послужило включение Большого адронного коллайдера 10 сентября 2008 года. СМИ остроумно назвали тот день “Днем Большого взрыва”. Для Эванса он стал кульминацией пятнадцатилетней работы по проектированию и строительству самой сложной машины в мире. И не только для него — около 6000 ученых ЦЕРНа отпраздновали 10 сентября 2008 года, ведь оно ознаменовало окончание долгого, восьмилетнего периода, проведенного без ускорителя и соответственно без новых столкновений частиц и новых результатов.

В начале десятого огромные экраны, установленные в здании Globe, специально построенном (в форме шара) для проведения конференций, подключили к диспетчерской LHC, где находился Эванс. Он сидел перед многочисленными компьютерами, в джинсах и полосатой рубашке с короткими рукавами. В шутку он начал обратный отсчет времени до старта, или в данном случае до первого пробега пучка протонов в коллайдере. “Пять, четыре, три, два, один!” В первый момент ничего не произошло. Но вот на одном из экранов мелькнуло яркое пятно, и Эванс воскликнул: “Йес! Йес!” Светящаяся точка была следом частиц, мчащихся по трубам ускорителя. Машина взяла свой первый крупный рубеж. Несколько часов спустя протоны полетели по 27-километровой орбите в трубе машины в обоих направлениях. Большой адронный коллайдер при запуске заработал лучше, чем кто-либо смел надеяться. Ускоритель был готов к настоящей работе.

Как и в случае машин-предшественников, были люди, которые считали, что включение Большого адронного коллайдера слишком опасно для человечества. Уолтер Вагнер, отставной офицер радиационных войск, не сумевший добиться закрытия ускорителя в Нью-Йорке десять лет назад, подал иск в суд на Гавайях, в котором заявлял, что машина может уничтожить планету. Или даже Вселенную. Вагнер стремился добиться судебного решения на запрет включения коллайдера до тех пор, пока не будет доказана его стопроцентная безопасность. Так называемый “иск конца света” был отклонен юристами федерального правительства, которые признали доводы Вагнера “слишком спекулятивными”.

За несколько недель до включения LHC Шон Кэрролл, физик-теоретик из Калифорнийского технологического института, составил список новых физических явлений, которые можно обнаружить с помощью коллайдера, и выложил его в блоге “Cosmicvariance”184. В верхней части списка стояли частицы Хиггса. Кэрролл полагал, что вероятность их обнаружения — 95%. “Только частицы Хиггса из всех элементарных частиц, имеющихся в Стандартной модели, еще не найдены, так что это, безусловно, будет главной целью LHC, если не вмешается “Теватрон” и не обнаружит их первым, — написал он и добавил: — Хиггс почти наверняка существует”. Далее в списке Кэрролла шла теория суперсимметрии — он считал, что вероятность найти ее доказательства составляют 60%. А самой страшной перспективой для физиков было не найти ничего нового вообще — шансы такого скорбного развития событий оценивались в 3 %. Кстати, шанс коллайдера создать стабильную черную дыру, которая поглотит Землю, Кэрролл оценил в 10-25%. Это одна десятимиллионная от одной миллиардной от одной миллиардной одного процента. Кэрролл пошутил: “Так вы говорите, у нас есть шанс?”, намекая на фильм из девяностых “Тупой, еще тупее”185.

Детекторы, которые ученые используют, чтобы увидеть новые физические явления на фоне огромного числа всевозможных осколков, возникающих при столкновениях внутри LHC, — поистине шедевры технологий. Безусловно, самым крупным из всех является детектор, метко названный “Атласом” (это аббревиатура, образованная из первых букв слов в названии A Toroidal LHC Apparatus). По размеру он сопоставим с олимпийским плавательным бассейном. 7000-тонный “Атлас” и не очень маленький CMS-детектор были спроектированы для поисков частицы Хиггса, но с их помощью ученые надеялись зарегистрировать и что-нибудь еще — например, экзотические частицы темной материи или дополнительные измерения.

Бозон Хиггса может родиться внутри Большого адронного коллайдера несколькими способами, но самый вероятный из них — при столкновении и слипании двух глюонов (частиц, которые связывают кварки внутри протонов). Энергии, выделяемой при столкновении, заведомо хватит, чтобы создать частицы Хиггса, но они сразу же после этого распадутся. Если бозон Хиггса окажется легким (примерно с той массой, которую приписали ему, когда на коллайдере LEP в ЦЕРНе увидели сигнал, похожий на его след), то он, вероятно, затеряется в облаке гамма-лучей. Если бозон Хиггса немного тяжелее, скажем, весит больше 130 ГэВ, ученые будут искать треки, оставленные четырьмя лептонами (семейство частиц, включающее электрон). Поиск частицы Хиггса состоит в вычленении этих сигналов из всех сигналов, оставленных другими субатомными осколками, которые в огромном количестве образуются при столкновениях на LHC.

На небольшом расстоянии от “Атласа” расположен детектор LHCb. С его помощью ученые пытаются решить вопрос, еще в 1933 году поставленный Полем Дираком в его нобелевской лекции. При рождении Вселенной в результате Большого взрыва около 14 миллиардов лет назад возникло равное количество материи и антиматерии. Что случилось со всей антиматерией? Существуют ли звезды из антиматерии, сияющие в галактиках из антиматерии? Детектор LHCb предназначен для регистрации частиц, состоящих из b-кварков (прелестных) — тяжелых кварков, и именно они помогут ответить на вопрос, почему обычная материя победила в сражении с антиматерией...