Тончайшее несовершенство, что порождает всё. Долгий путь частице Бога и Новая физика, которая изменит мир

И нобелиаты порой ошибаются

Кафетерий ЦЕРН,

конец какого‑то весеннего дня 1995 года

Я только что вышел с заседания LHCC, Комитета по экспериментам на LHC. Этот комитет был создан несколько лет назад, чтобы оценивать предложения по экспериментам на новом ускорителе – Большом адронном коллайдере. Один из членов комитета – немецкий физик, работающий в эксперименте OPAL на Большом электрон-позитронном коллайдере, новом ускорителе ЦЕРН. Он всегда вежлив и вопросы задает точные; в отличие от других, он не агрессивен по отношению к нам, и ясно, что он на нашей стороне, на стороне молодых физиков, взявшихся за дело, которое все считают невыполнимым. Этого физика зовут Рольф Хойер, и он будет генеральным директором ЦЕРН в момент нашего открытия бозона Хиггса.

В кафетерии я встречаю Карло Руббиа. В жизни ЦЕРН кафетерий занимает очень важное место. Во-первых, тут днем можно пообедать, а во‑вторых, мы заходим сюда в рабочее время, чтобы передохнуть и выпить кофе – или, ближе к вечеру, пива. Здесь всегда оживленно: люди за столиками вечно что‑то обсуждают, делятся идеями, ищут решения. Собеседники из самых разных стран и всех возможных цветов кожи в пылу дискуссий переходят с языка на язык – и потому я полагаю бумажные салфетки одним из важнейших научных инструментов современности. Они тысячами используются для того, чтобы написать уравнения, набросать схему детектора или обсудить фейнмановскую диаграмму; они подобны первым черновикам, на которых маэстро набросал темы всех своих будущих симфоний. Когда обсуждение закончено, салфетки, разумеется, отправляются в мусорную корзину, но если бы кто‑нибудь собирал и хранил их, то на них со временем непременно бы обнаружились следы первых прозрений, приведших в итоге к грандиозным открытиям последних десятилетий.

Около года назад завершился срок пребывания Руббиа на посту директора ЦЕРН, так что он вернулся к своей обычной бешеной научной активности. Он всегда фонтанирует идеями и инициативами. Любопытство – его главное качество. Он знает, что мы сейчас работаем над экспериментом на Компактном мюонном соленоиде, CMS (Compact Muon Solenoid), – детекторе, конструкция которого родилась у нас из идей Мишеля Делла Негра и Джима Вирди, двух учеников Руббиа, молодых людей, работавших с ним в эксперименте UA1 во время открытия W– и Z-бозонов. Я уверен, что Руббиа в подробностях осведомлен о моих научных интересах, а также знает, что в основе всего нашего проекта лежит много новых, совершенно революционных идей.

Когда он со свойственным ему напором говорит мне: “Ну и что вы там, молодежь, намудрили со своим CMS? Не хочешь заглянуть ко мне в кабинет поболтать?” – я уже знаю, что следующий час проведу в аду. И вот я уже стою у доски в кабинете нобелевского лауреата, черчу и пишу на ней формулы, даю объяснения, отвечаю на вопросы, которые становятся все более и более сложными. Руббиа прежде всего движет любопытство, но я хорошо вижу, как он изо всех сил старается загнать меня в угол. Я потею, пытаюсь сохранять спокойствие, спорю, защищаюсь из последних сил. И вдруг он замолкает; на добрых полчаса он перестает меня перебивать и терпеливо следит за тем, что я пишу на доске. Я поясняю: “Так, я думаю, можно будет создать трековую камеру[18], которая выдержит жесткое излучение внутри LHC. Я знаю, что многие технологии еще сырые, но у нас должно получиться”. И добавляю: “Конечно, затраты на сегодня получаются заоблачными, но у нас есть некоторые соображения, как их можно было бы существенно снизить”. И подытоживаю: “Я понимаю, что такая конструкция камеры выглядит чересчур футуристичной, но в случае успеха она позволит нам регистрировать электроны и мюоны с такой точностью, что мы сможем отчетливо идентифицировать бозон Хиггса. С таким детектором мы поймаем его за бороду”. Опуская мел и отворачиваясь от доски, я вижу на лице Руббиа весьма скептическое выражение. Его последние слова не оставляют нам никаких шансов: “Все это писано вилами по воде и работать не будет”.

Выходя из его кабинета, я уже знаю, на чем будут сфокусированы мои усилия в ближайшие годы: доказать, что трековые детекторы на LHC возможны, что с их помощью можно измерять траектории частиц и что даже нобелевские лауреаты иногда ошибаются.

Охота началась

Охота на бозон Хиггса началась далеко не сразу после того, как была выдвинута гипотеза о существовании этой частицы. И определяющая роль, которую она играла в новой теории, тоже стала понятна не сразу. Только в середине 1970‑х годов, когда Стандартная модель была окончательно принята научным сообществом, начались планомерные поиски подтверждения всех ее предсказаний, в том числе и подтверждение существования этого особого бозона.

Статья, привлекшая внимание физиков-экспериментаторов, была опубликована в 1975 году. Сегодня, спустя десятилетия неустанных поисков, любопытно перечитывать выводы авторов того первого исследования – теоретиков Джона Эллиса и Димитрия Нанопулоса. Описав характеристики новой частицы и различные каналы ее распада, они заключают: “Мы приносим извинения физикам-экспериментаторам за то, что не имеем представления ни о массе бозона Хиггса, ни о том, как он взаимодействует с другими частицами, хотя и предполагаем, что это взаимодействие очень слабо. По этим причинам мы не хотим поощрять крупные экспериментальные поиски, но считаем своим долгом проинформировать тех, кто будет проводить эксперименты, потенциально чувствительные к присутствию бозона Хиггса, о том, как эта частица может проявиться в их данных”.

После таких осторожных слов трудно было даже предположить, что очень скоро начнется самая долгая в истории физики и самая дорогая охота на элементарную частицу. Но она началась.

Стандартная модель отводит бозону Хиггса вполне определенную роль и с точностью фиксирует все его характеристики – за исключением одной, самой важной для тех, кто собирается его искать: его массы. Теоретически – это свободный параметр, как говорят в тех случаях, когда речь может идти и о чем‑то легком, как бабочка, и о чем‑то тяжелом, как слон. От массы фантомной частицы зависят многие ее свойства: прежде всего процессы, в которых она может появиться, и вероятность того, что она действительно появится; затем промежуток времени, в течение которого частица реально существует, и, наконец, каналы ее распада на другие частицы.

Тут следует напомнить, что частиц, стабильных в свободном состоянии – как фотон, электрон и протон, – в природе совсем немного. Есть небольшая группа других частиц, таких как нейтроны и мюоны, которые, хотя и не стабильны, живут достаточно долго, чтобы их можно было напрямую зарегистрировать в детекторе. Но подавляющее большинство – это нестабильные частицы: они живут очень коротко и почти сразу же распадаются на другие частицы; бозон Хиггса – в этом смысле не исключение. Не приходится даже думать о том, чтобы зарегистрировать его, непосредственно увидев треки, оставленные им в измерительных приборах. О его присутствии можно судить только по продуктам его распада, и его масса исключительно важна, чтобы понимать, какие еще частицы он может породить. Спектр возможностей тут огромен. Всякого, кто решится на поиски, ждет настоящий кошмар. Это все равно что исследовать Тихий океан в поисках нового вида животных, не зная, о чем в точности идет речь – о крошечных насекомых, живущих в растительности островов, или о гигантских глубоководных рыбах.

В случае с W– и Z-бозонами все было совсем не так. Когда Руббиа начал переделывать самый мощный на то время в мире ускоритель, задача перед ним стояла предельно ясная: подробно исследовать диапазон масс, которые могут быть у W– и Z-бозонов. Объединенная теория электрослабого взаимодействия давала уверенное предсказание: их массы должны быть между 80 и 90 ГэВ[19]; это почти в сто раз больше, чем у атома водорода, и все каналы рождения и распада данных частиц были хорошо определены. Оставалось только построить достаточно мощный ускоритель и сфокусироваться на нужных значениях энергии.

Охота на бозон Хиггса гораздо сложнее, в ней слишком много неизвестных. Во-первых, этот бозон не обязательно существует: Стандартная модель предполагает наличие некоего механизма, нарушающего симметрию между слабым и электромагнитным взаимодействием, но этот механизм не обязательно именно таков, как его описали Браут, Англер и Хиггс. Были и другие модели, безусловно менее элегантные, но нам уже известны случаи, когда природа выбирала совсем не те пути, которые нам больше всего нравились. А кроме того, даже если механизм Хиггса действительно всецело зависел от этого самого бозона (как приписывалось ему теорией), в реальности ничто не мешало ему быть легким, как электрон, или в десять раз тяжелее массивных W– и Z-бозонов. Спектр возможностей, которые предстояло исследовать, был огромен.

Если бы бозон Хиггса был легким, то его можно было бы обнаружить по косвенным эффектам во множестве уже изученных процессов и для его регистрации не понадобилось бы строить большие ускорители. Напротив, если масса его велика, то нет другого пути, кроме как создавать достаточно мощный ускоритель.

Поначалу охота проходила спокойно, но после первой же ложной тревоги события закрутились в бешеном ритме.

Было лето 1984 года, прошло всего несколько месяцев после открытия W– и Z-бозонов; в лаборатории DESY (Deutsches Electronen-Synchrotron), расположенной в Германии неподалеку от Гамбурга, только что модернизировали электронно-позитронный коллайдер Doris. С первых же месяцев его детекторы начали регистрировать нечто необычное. При энергиях около 8,33 ГэВ наблюдался необъяснимый избыток событий, характерный для рождения новых частиц, “нейтральных и нестабильных”. Возбуждение нарастало – сигнал читался однозначно: все говорило о присутствии бозона Хиггса.

Об открытии было объявлено на самой престижной площадке – на Международной конференции по физике высоких энергий, проходившей в тот год в Лейпциге, тоже в Германии. Сообщение произвело эффект разорвавшейся бомбы, но – сразу последовали бурные споры. Разочарование к ученым приходит, когда другие группы исследователей безуспешно пытаются получить такие же результаты. Физики самой Doris, собрав дополнительные данные, в конце концов признали, что им тоже не удалось воспроизвести собственные результаты. Теперь мы уже никогда не узнаем, была ли членами группы совершена какая‑то ошибка или все дело в коварной статистической флуктуации.

Ложные тревоги будут сопровождать охоту на бозон Хиггса на протяжении десятилетий. Ну, а первое событие из этого ряда оказалось полезным в частности потому, что научный мир оценил всю важность будущего открытия. С этого момента следы бозона Хиггса начнут отслеживать во всех последующих экспериментах.

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 °C[20]. 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].

Детекторы невозможных конструкций

Прошло уже более 20 лет с начала 1990‑х, времени, когда мы небольшими группами собирались в ЦЕРН, чтобы поговорить о LHC – новом, тогда только еще проектируемом ускорителе. Я и сегодня отлично помню и споры о принципах, которые должны лежать в основе конструкции гигантских детекторов, и чертежи этих детекторов, набросанные шариковой ручкой на бумажных салфетках в кафетерии ЦЕРН.

Это была пора горячих споров, невероятного энтузиазма и горьких разочарований. Случались, конечно, и конфликты, иногда весьма серьезные, вовлекавшие в себя немалую часть наших коллег, которые считали нас слегка помешанными, ибо технологии, предлагаемые нами, были слишком уж завиральными, а высокая светимость коллайдера, которой мы стремились достичь, – разрушительной для него. Многие из более опытных ученых смотрели на нас снисходительно, словно думая про себя: “Дай бог нашему теляти волка споймати… вот только шансов‑то маловато”. А иные недоуменно поднимали брови, глядя на новое поколение сорокалетних физиков, которые почему‑то верили, будто у них получится то, что до сих пор не удалось никому: открыть бозон Хиггса.

Мечта нашей немногочисленной группы энтузиастов стала сегодня реальностью и, как это частенько случается, представляется со стороны непрерывной чередой успехов на пути к славе. На самом же деле это была авантюра, рискованная и очень трудная: рассчитывая на победу, мы осознавали и опасность сокрушительного провала.

Современный детектор элементарных частиц в чем‑то схож с огромной цифровой фотокамерой. Принцип его работы прост. В каждом ускорителе есть одна или несколько специальных зон, называемых зонами взаимодействия, где пучки фокусируются в предельно малом объеме и пересекаются и где происходят столкновения. Частицы, рождающиеся в результате подобных столкновений, надо зарегистрировать и распознать, и для этого используются целые системы детекторов – аппаратные комплексы, каждый из которых включает в себя высокочувствительные датчики, способные зафиксировать мельчайшие всплески энергии при вылете частиц из зоны взаимодействия.

В ускорителе протоны движутся очень плотными сгустками: в каждом сгустке примерно сто миллиардов протонов. Оказавшись в зоне взаимодействия, сгусток сдавливается еще больше – в нитевидную область диаметром около 0,01 мм и длиной 10 см. Временной интервал между двумя соседними сгустками составляет двадцать пять наносекунд (то есть миллиардных долей секунды), а всего в LHC может одновременно разгоняться до 2 800 сгустков. Это значит, что, поскольку столкновения двух сгустков протонов в LHC также идут сериями определенной продолжительности, нужно, чтобы серии столкновений чередовались со строго определенными интервалами, которые регулируются очень точной схемой синхронизации. Датчики, окружающие зону взаимодействия, получают сигнал о приходе очередного сгустка, и именно на момент прохождения сгустка столкновений активируются цепи, регистрирующие, что происходит вокруг зоны взаимодействия.

Все надо проделывать очень быстро – времени между сгустками мало, и детекторы должны успеть подготовиться к регистрации событий, вызываемых следующим сгустком. Вот тут‑то и срабатывает аналогия с современными цифровыми фотокамерами. Изображение столкновения состоит из 100 миллионов пикселей, каждый из которых формируется отдельным датчиком, – одним из множества датчиков, распределенных по всему объему детектора. Это изображение записывается на диск, чтобы можно было спокойно (так сказать, офлайн) изучить его после окончания эксперимента.

Размер каждого изображения – один мегабайт; этим параметром оно мало отличается от обычной цифровой фотографии. Другое дело скорость: детекторы LHC делают цифровые снимки в невообразимом ритме 40 млн в секунду. Если хранить их все, объем данных окажется непомерно большим. Ни одна система передачи не справится с таким плотным потоком информации – сорок терабайт в секунду! А если бы она даже и справилась, мы все равно бы не знали, где хранить всю эту информацию. Для записи ее на 10‑гигабайтные DVD нам понадобилось бы использовать 4 000 дисков в секунду, то есть за год работы у нас скопилось бы 40 млрд дисков[22]. Если сложить их в стопку, то получится столб высотой в 40 000 км.

Для решения этой проблемы в детекторы встраиваются десятки тысяч микропроцессоров, преимущественно связанных друг с другом. Регистрируя локальные сигналы от частиц, испущенных при столкновениях, эти микропроцессоры восстанавливают глобальную картину события и очень быстро определяют тип произошедшего столкновения. Как мы уже видели, в подавляющем большинстве случаев при столкновении протонов в результате уже хорошо изученных физических явлений рождаются более легкие частицы, и такие события можно сразу отбрасывать, сосредоточив все внимание на потенциально интересных событиях, встречающихся очень редко. Цепь, осуществляющая такой отбор, называется триггером – в этом названии заключается намек на спусковой механизм автоматического оружия. Благодаря ему решение о том, стоит ли записывать событие, принимается за несколько миллионных долей секунды. Из сорока миллионов событий, происходящих за одну секунду, в итоге останется менее тысячи. Объем информации становится вполне управляемым, однако для этой информации требуется теперь новая информационная структура, основанная на распределенных вычислениях.

Впечатляют и размеры используемой в экспериментах аппаратуры. В результате столкновений высокоэнергетических протонов образуются частицы, распадающиеся на целые струи других частиц с высокой проникающей способностью. Некоторые из них поглощаются только после того, как пройдут несколько метров сквозь вещество датчиков, а другие ускользают даже от самых массивных аппаратов, так что мы можем измерить их характеристики, лишь реконструировав часть их траекторий. Таким образом, физические приборы LHC превращаются в огромные сооружения высотой с пятиэтажный дом и весом с крейсер.

Но и этого мало: датчикам приходится работать очень быстро. Столкновения следуют одно за другим с такой бешеной скоростью, что можно использовать лишь самые быстрые регистраторы: они должны за доли секунды среагировать на самые слабые сигналы и тут же вернуться в исходное состояние и приготовиться к следующему событию.

Наконец, поскольку мы делали ставку на высокую светимость, количество частиц, ежесекундно образующихся вокруг зоны взаимодействия, ожидалось чрезвычайно большим. Поэтому все, что находится вблизи этой зоны – датчики, электроника, опорные конструкции, кабели и волокна для передачи сигналов, – должно быть устойчиво к работе в условиях радиации невиданного ранее уровня. В противном случае уже через несколько месяцев или несколько лет хрупкие приборы перестанут работать, а вложенные в них средства будут потеряны.

Гигантские конструкции весом в тысячи тонн, содержащие миллионы сверхбыстро работающих и устойчивых к радиации датчиков, да еще и достаточно “умных”, чтобы за несколько миллионных долей секунды оценить, следует ли сохранить только что зарегистрированное событие или о нем можно забыть… неудивительно, что, когда мы стали говорить окружающим, какими, на наш взгляд, свойствами должны обладать детекторы для LHC, многие сочли нас безумцами. Мы и сами прекрасно понимали, что задача перед нами стоит совсем не простая.