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

Сосиски и черная дыра

Женева,

9 декабря 2008 г., 21.30

До запуска LHC остается всего несколько часов, и вокруг творится нечто совершенно невообразимое, не похожее ни на что в истории физики высоких энергий. Внимание всего мира приковано к тому, что произойдет завтра в Женеве. В ЦЕРН съехались десятки телевизионных съемочных групп и сотни журналистов, которые упорно отлавливают нас в кафетерии или в коридорах наших корпусов, добиваясь интервью или комментария.

Все это безобразие началось несколько недель назад, и сперва на него никто не обращал внимания. Нам тогда стали приходить письма примерно такого содержания: “Остановите эксперимент! Вы рискуете погубить не только себя, но и всех жителей Земли, куда менее высокомерных и тщеславных живых существ, чем вы, ученые-франкенштейны из Женевы”.

Если вы ежедневно получаете тысячи писем, среди них всегда найдется несколько странных. Обычно их достаточно просто выкинуть в мусорную корзину, и на этом все заканчивается. Но в этот раз, похоже, дело было куда серьезнее. Во-первых, потому, что с каждым днем странных писем становилось все больше, а во‑вторых, потому, что, как выяснилось, в Сети параллельно распространялись петиции и алармистские призывы. Один видеоролик даже стал вирусным. Там было показано, как вся Земля за несколько мгновений поглощается крохотной черной дырой, созданной LHC. Изначально микроскопическая, эта черная дыра быстро растет, засасывая в себя сперва ускоритель, затем Женеву вместе с озером и, наконец, всю планету. Видеоряд был весьма впечатляющим. Ну, а когда даже в таком солидном журнале, как Time, появился материал под заголовком “Коллайдер поднял волну страхов: ждут конца света”[23], всем стало ясно, что пора реагировать и что придется потратить много времени и сил, которые бы нам очень пригодились для последних приготовлений.

Главными возмутителями спокойствия были два странных типа, старательно пытавшиеся привлечь к себе всеобщее внимание еще с марта предыдущего года. Одного – немецкого химика-пенсионера – звали Отто Рёсслер, а второго – Вальтер Вагнер. Вагнер, живущий на Гавайях, перед тем как выйти на пенсию, трудился в сфере безопасности реакторов. Последние десять лет он посвятил судебным тяжбам со всеми, от кого зависело строительство любого нового ускорителя, так как был уверен, что ускорители могут уничтожить Землю. Однако до сих пор его никто не воспринимал всерьез. Что же до Рёсслера, то он даже обращался в Европейский суд по правам человека, но – безрезультатно.

Ожидание первых пучков протонов в тоннеле LHC просто сводило их обоих с ума. Они неустанно всех запугивали: “Через несколько недель или через несколько месяцев кому‑то из людей случится увидеть луч света над Индийским океаном, вышедший прямо из центра Земли; затем нечто подобное произойдет над Тихим океаном, и это будет началом конца… При первых столкновениях протонов в ускорителе образуется микроскопическая черная дыра, и поначалу никто не обратит на это внимания. Этот крошечный голодный монстр станет притягивать и поглощать все вещество вокруг себя; на протяжении еще нескольких недель ничего заметного глазу происходить не будет, но затем, когда масса чудовища станет макроскопически значимой, никто уже не сможет его остановить и оно в мгновение ока поглотит всю планету – под сопровождение огненных вспышек библейского Армагеддона”.

Живи мы в нормальном мире, никто бы не воспринимал их всерьез, но современное информационное общество вовсе не нормально. Слухи о грядущей катастрофе будят любопытство и тревожат сердца миллиардов людей. Новостные заметки с претензией на сенсацию с броскими заголовками на первых полосах газет привлекают всеобщее внимание и отлично продаются. Достаточно кому‑нибудь одному опубликовать что‑то подобное, и за ним неизбежно потянутся многие другие. В таких случаях использование рациональных аргументов бесполезно, потому что испуганный человек не рассуждает, а спасается бегством. Тут уж ничего не поделаешь. ЦЕРН публикует подробный, на десятки страниц, отчет, в котором доказывается, что все используемые противниками ускорителя аргументы – дикая чушь, что LHC ни при каких обстоятельствах не исторгнет из себя ничего опасного. Но коллективный психоз не поддается излечению. Год за годом мы объясняли журналистам, что микроскопические черные дыры, даже если они паче чаяния и родятся в LHC, мгновенно испарятся, оставив по себе едва заметные следы только в наших регистраторах; что энергии, вырабатывающиеся в нашем ускорителе (который кажется нам гигантским и которым мы так гордимся), ничто по сравнению с космическими лучами, бомбардирующими Землю вот уже миллиарды лет… и так далее и тому подобное.

Больше всего меня огорчает то, как болезненно это отражается на людях с неустойчивой психикой. Ведь, наверное, и в самом деле есть такие, кто по‑настоящему боится, что сейчас все закончится; такие, кто действительно страдает, – к примеру, матери, тревожащиеся за будущее своих детей… а у нас не получается их успокоить.

В 21.30 я получаю по электронной почте сообщение от Серджо, моего старого друга из Пизы, и оно немного поднимает мне настроение. Он пишет, что следит за всеми дискуссиями о черной дыре в Сети, но не очень‑то верит слухам. Он только что поужинал. До отвала наелся сосисками на гриле – это его любимое блюдо. Выпил немало хорошего вина, хранящегося у него в погребе. И тут его посетило мучительное сомнение. А что если то, что говорят паникеры, правда? Что если по прошествии нескольких часов всему наступит конец? Серджо знает, что я нахожусь в сердце урагана и что от меня можно получить новости из первых рук. Он вспомнил о нашей старой дружбе и хочет правды. “Гвидо, если у тебя есть хоть малейшее сомнение, дай мне, пожалуйста, знать. Если все действительно может скоро закончиться, я без колебаний доем оставшиеся сосиски”.

Плача от смеха, я посоветовал ему идти спать и главное – оставить сосиски в покое: у него будет достаточно времени, чтобы доесть свое любимое блюдо завтра или даже послезавтра, дав передышку печени.

Супермикроскопы

Прошло более века с тех пор, как лорд Резерфорд продемонстрировал, что внутреннюю структуру вещества можно исследовать, облучая тонкий лист золота ядрами гелия (которые тогда назывались альфа-частицами), испускаемыми при распаде радиоактивных изотопов. Обнаружив, что некоторые частицы отклоняются на большие углы, Резерфорд увидел в этом доказательство того, что в атоме золота весь его положительный заряд сосредоточен внутри очень маленького ядра. Эксперимент Резерфорда позволил построить модель атома, сохранившую свою актуальность и сегодня: очень маленькое ядро, окруженное облаком электронов, – и открыл путь к квантовой механике (классическая механика не могла объяснить, почему при движении электроны не теряют энергию за счет излучения и не падают на ядро). Именно этот эксперимент стал предтечей современных экспериментов в больших ускорителях частиц.

Вот так, с Резерфорда, и началась погоня за все более и более энергичными снарядами, чтобы с их помощью все глубже и глубже исследовать материю. На смену электронам и альфа-частицам пришли космические лучи – непрерывный поток частиц из космоса с очень высокой энергией, неустанно бомбардирующий нас со всех сторон. Ну, а в 1930‑е, когда стало возможным получать и ускорять пучки электронов и протонов в лабораторных условиях, стартовала эра ускорителей.

Ускоряя электроны, протоны или тяжелые ионы до очень высоких энергий и заставляя их сталкиваться друг с другом, можно получать в очень ограниченном пространстве экстремальные энергии и температуры, характерные для ранней Вселенной. Таким образом, в контролируемых лабораторных условиях возможно воспроизводить всю ту разнообразную “фауну” частиц, что в изобилии населяли Вселенную сразу после Большого взрыва, но не дожили до наших дней.

Иначе говоря, мы можем рассматривать ускорители как супермикроскопы, которые исследуют вещество с помощью самого проникающего из всех доступных нам излучений – очень высокоэнергетических протонов – для того, чтобы выявлять наимельчайшие детали в строении материи.

Будь то частица материи или квант излучения, связанные с каждым из них энергия и длина волны[24] обратно пропорциональны: чем выше энергия, тем короче соответствующая длина волны и тем выше разрешающая способность нашего микроскопа.

Только получаемые в ускорителях электроны и протоны с высокими энергиями позволяют визуализировать детали протона, размер которого порядка фемтометра (10^–15 м), или даже внутренние компоненты протона, такие как кварки, размер которых не превышает аттометра (10^–18 м). А если у кварков, как и у протонов, тоже есть структура, то и ее можно будет со временем исследовать с помощью частиц, обладающих достаточно высокой энергией; нужно лишь, чтобы соответствующая длина волны не превосходила очень малых размеров этих новых элементарных компонентов материи.

Рассматривая ускорители частиц как супермикроскопы, мы можем думать о них и как о своеобразных машинах времени, способных перенести нас на миллиарды лет назад, чтобы мы могли увидеть явления, происходившие в очень далекие эпохи, в моменты, непосредственно следовавшие за Большим взрывом. Ускорители – это фабрики вымерших частиц, тех частиц, которые возвращаются к жизни из разрушенной структуры вакуума при столкновениях с очень высокими энергиями, частиц, которые вымерли миллиарды лет назад и не населяют больше нашу макроскопическую Вселенную, или же таких состояний материи, что сохранились в настоящее время только в каких‑то отдаленных и совершенно недоступных уголках Вселенной и при очень необычных условиях.

LHC – экстремальная на сегодня точка в этой исследовательской линии.

Самое холодное место во Вселенной

Но построить такой ускоритель, как LHC, совсем не просто. Когда в 1993 году американский проект SSC был закрыт, первоначальный энтузиазм в ЦЕРН быстро сменился тревогой. Руббиа снова оказался прав, но теперь мы уже не могли отступить: строительство LHC – футуристического сооружения, производящего пучки очень высокой интенсивности, с тысячами исключительно сложных магнитов, с системами управления и защиты, которые еще только предстояло изобрести, – надо было доводить до конца. При одной лишь мысли обо всем этом даже у самых отчаянных из экспертов тряслись поджилки и учащался пульс. Каждый из нас терзался сомнениями, по плечу ли нашему коллективу эта задача. А вдруг физики старшего поколения (среди которых, между прочим, есть несколько лауреатов Нобелевской премии) не ошибаются, когда говорят с улыбкой: “Такой аппарат никогда не будет работать”?

Опасения были более чем понятны. Для создания нового ускорителя требовалось совершить качественный скачок. Чтобы удерживать на нужных траекториях протоны с энергией 7 ТэВ, надо было испытать магниты, индукция магнитного поля которых достигает 9,7 Тл, что примерно в сто тысяч раз больше, чем индукция магнитного поля Земли[25]. Такое сильное магнитное поле никогда ранее не использовалось в ускорителях.

Разработанная Джорджо Брианти конструкция магнита – два пучка протонов одновременно проходят сквозь него в противоположных направлениях – элегантна и остроумна, но ее сложно реализовать: малейшая неточность может вызвать катастрофическую неустойчивость траекторий. Удерживать пучки протонов в узком тоннеле в течение 10–12 часов на таких высоких энергиях, чтобы каждый из них пролетал по всей длине тоннеля по 11 000 раз в секунду, – задача чрезвычайно сложная. Незначительное возмущение, любое изменение характеристик 1 232 магнитов, формирующих траектории, может дестабилизировать пучки и поставить под угрозу нормальное функционирование всего ускорителя.

Отдельную проблему представляют управление накопленной в пучках энергией и защита магнитов и оборудования. Энергия, накапливаемая каждым пучком протонов в LHC, сравнима с энергией скорого поезда, разогнанного до скорости 150 км/ч, а ведь она оказывается в каких‑то миллиметрах от чрезвычайно чувствительного оборудования. Такое соседство приведет в ужас любого специалиста по системам защиты. И есть еще энергия, накопленная в самих магнитах, – она тоже может нанести системам ускорителя непоправимый ущерб.

Добавим сюда и вот какое обстоятельство: протоны теряют мало энергии на синхротронное излучение. И хотя для циркулирующего в ускорителе пучка этот эффект неважен, он важен для тех систем, которые функционируют при очень низких температурах: поглощенная энергия синхротронного излучения разогревает их, и система охлаждения должна обеспечить надежный теплоотвод.

Наконец, есть просто радиация. На все, что находится в тоннеле, при прохождении пучка обрушиваются потоки частиц, и это является суровым испытанием для любой системы. Цепи питания и систем управления должны выживать в условиях, в которых обычная электроника через пару месяцев вообще перестает функционировать. То есть все должно быть спроектировано с использованием инновационных компонентов, которые нам самим и предстоит разработать; к тому же требуется создать еще и новые материалы, чтобы заменить ими те, которые стали бы деформироваться или разрушаться в местах с наиболее жесткими условиями.

Для решения столь амбициозных задач был выбран Лин Эванс, харизматичный, несколько грубоватый валлиец, сын шахтера из деревни с непроизносимым названием Квмбах, затерянной среди окружающих Кардифф холмов.

Спустя годы, в один из тех спокойных вечеров, что мы проводили с пинтой хорошего пива, Лин рассказал мне, что его интерес к физике зародился еще в детстве. Кроме того, ему до сих пор памятна радость от небольших взрывов, которые он устроил дома, изображая маленького химика. Его первой лабораторией стала домашняя кухня, а первым вознаграждением за эксперименты были увесистые шлепки, полученные сначала от матери, а потом и от вернувшегося вечером из шахты отца.

Лин крепок телом, и он прирожденный лидер. Он редко улыбается, и, общаясь с ним, все слегка трепещут. Он никогда не кривит душой и бывает довольно резок, но при этом ему известны все тайны ускорителей. Когда в 1994 году, после ухода Джорджо Брианти на пенсию, проект возглавил Лин, все признали, что лучшей кандидатуры было не сыскать. Если кто и мог справиться с поставленными задачами, то как раз он. И он действительно занимал эту должность целых четырнадцать лет, до тех пор, пока ускоритель не начал работать.

Личные качества Лина отражаются на всем ходе проекта, и это сразу заметно. Нереальные сроки, названные Руббиа, оказались именно тем, чем они и казались: блефом, рассчитанным на то, чтобы раздразнить американцев. Тем не менее проект был утвержден и профинансирован. Лин привлек к работе сотни инженеров и физиков со всего мира. Он обратился за помощью к Индии – и ЦЕРН получил высококлассных специалистов по тестированию массово производящихся магнитов. Он обратился к России – и лучшие специалисты из Новосибирска занялись изготовлением оборудования для линий передачи пучков из предварительного ускорителя поменьше в основное кольцо LHC. Для изготовления специальных магнитов, фокусирующих пучки в зонах столкновений, он попросил помощи у американских специалистов из Фермилаба и у японских специалистов из лаборатории KEK. Как бы велика ни была роль ЦЕРН, с самого начала было ясно, что в одиночку ему со стоящей перед ним задачей не справиться.

Лучшие физики и инженеры ЦЕРН сосредоточились на разработке критически важных систем – магнитов, оптики и систем управления и охлаждения.

Для охлаждения магнитов используется жидкий гелий при температуре –271,1 °C, что на 1,9 градуса выше абсолютного нуля и на один-два градуса ниже, чем в системе охлаждения магнитов Тэватрона. Таким образом, температура тут примерно на один градус ниже температуры космических глубин, и LHC в этой своей части становится самым холодным местом во Вселенной. Снижение температуры, даже незначительное, означает получение существенных преимуществ для работы магнитов. Чем больше индукция магнитного поля и чем выше плотность тока, тем ниже температура, которой надо достичь для поддержания стабильного состояния сверхпроводимости в обмотках магнитов.

Понятно, что работать приходилось на грани возможного. Неудача с “Изабель” послужила горьким уроком, надолго оставшимся в памяти исследователей. Лин понимал, что создание прототипа, соответствующего техническим требованиям, важно, но что это – всего лишь полдела. Организовать промышленное производство тысяч практически идентичных магнитов – задача совсем другого уровня. Мы говорим об игрушках длиной 16 м и массой 27 т. Собрать их вместе – отдельная сложнейшая проблема. Они должны стоять на горизонтальной плоскости с очень небольшим углом между соседями, создавая нужную кривизну траектории частиц по всему кольцу ускорителя и учитывая все деформации, возникающие при переходе от нормальной температуры в цехах, где они создаются, к рабочей температуре –271,1 °C. Мало того: и сверхпроводники обмоток катушек, и разделяющие их тонкие слои изолятора должны быть подогнаны настолько точно, чтобы магнитные поля внутри магнитов различались не более чем на одну сотую процента.

Когда до решения проблемы остается крохотный, но сложный шажок, частенько приходится искать помощи у итальянцев. На этот раз обратились к Лучио Росси – миланскому профессору, специалисту по магнитам и к тому же талантливому управленцу. Именно он работал над первым прототипом магнитов LHC – и тот оказался успешным. Магнит, который Брианти демонстрировал в ЦЕРН в 1994 году и который сыграл решающую роль при утверждении всей программы строительства коллайдера, был полностью изготовлен в Италии в рамках сотрудничества с Национальным институтом ядерной физики.

В 2001 году Лин снова выбрал Лучио для управления критической фазой проекта, и тот не колебался ни минуты. Он оставил свои университетские лекции, с головой окунулся в дела нашего тоннеля и преисполнился не только присущего нам всем энтузиазма, но и общих для нас страхов и тревог. К своей же обычной жизни он вернулся лишь спустя несколько лет, после того, как в ускорителе установили последний магнит. Для изготовления 1 232 сверхпроводящих магнитов LHC в ЦЕРН разработали не только их подробную конструкцию, но и все необходимое для работы оборудование. В проекте участвовали три компании – итальянская, французская и немецкая; каждой из них предстояло осуществить третью часть поставок. Если бы одна из компаний по какой‑то причине замешкалась, две другие могли бы взять на себя ее часть задачи. Конечно, не обошлось без задержек и всяческих сложностей, но в конце концов мы справились – а ведь это была важнейшая составляющая грядущего успеха нашего коллайдера.

Однако бесчисленные технические и финансовые кризисы, сопровождавшие строительство ускорителя, никак не прекращались. Изготовление магнитов, или систем охлаждения, или оборудования для получения глубокого вакуума, или даже магнитов для фокусировки пучков перед их выводом в зону столкновения (которые по идее были относительно стандартными и которые должны были делать американцы и японцы)… в общем, проблемы подстерегали нас буквально на каждом шагу, и нам приходилось отвлекаться на многочисленные непредвиденные модификации и доработки. Из-за этого, естественно, росли затраты и срывались сроки запуска ускорителя.

1998 год – первоначальная дата, которой Руббиа запугивал сторонников продолжения строительства SSC в Далласе, – была быстро забыта. Впрочем, все понимали, что она послужила лишь инструментом: он воспользовался ею как тореадор мулетой, которой дразнят быка, чтобы тот, пригнув голову, бросился в атаку и подставился под удар. В итоге, из‑за технических задержек и необходимости покрывать дополнительные расходы, дело медленно, но верно растянулось на целое десятилетие. А браво заявленные в 1994 году траты в 2,66 млрд франков постепенно превратились в гораздо более реалистичные 4,6 млрд. Эта сумма оказалась посильна ЦЕРН только благодаря десятилетнему кредиту и значительным сокращениям персонала и общих операционных расходов.

Ссора с начальством

Пока Лин и его команда сражаются с трудностями, в нескольких сотнях метров от корпусов, где проходят испытания прототипов магнитов, ведутся жаркие споры. Тема споров – большая проблема экспериментальной физики, обозначившаяся задолго до официального запуска строительства LHC. О ней заговорили еще в 1984 году, сразу после начала строительства LEP, но поворотный момент наступил в 1990‑м, когда сотни молодых физиков собрались в Ахене – древнем Аквисгрануме, откуда Карл Великий правил Священной Римской империей и где до сих пор цел его каменный трон.

Механизм, с помощью которого предлагаются новые эксперименты и формируются крупные международные коллаборации, устроен следующим образом: инициатива исходит от отдельных людей или от небольших групп, которые спонтанно выступают с докладами, пишут статьи, выдвигают идеи и обсуждают их на разных престижных площадках – в крупных исследовательских лабораториях или в прославленных университетах. Но до одобрения проектов еще далеко, вдобавок всегда существует риск, что даже одобренный проект потерпит фиаско, как это произошло с “Изабель” и SSC. Этот начальный этап прекрасен: ему присущи хаос и необузданность, и на нем можно предаваться самолюбованию, предлагая самые футуристические идеи, – иногда совершенно нереализуемые, а иногда революционные, ломающие прежние парадигмы. Затем следует процесс отбора, в ходе которого идеи фильтруются и очищаются; одновременно на самом нижнем уровне обсуждаются перспективы сотрудничества, спонтанно формируются небольшие группы, члены которых разделяют один и тот же подход; эти группы постепенно начинают напоминать что‑то вроде протоколлабораций. И тогда формулируется конкретное предложение: словно сотни диких цветов, распустившихся на предыдущем этапе, упорядочиваются и преобразуются в целостный проект сада. Предлагается эксперимент, который описывается в коротком документе – письме о намерениях, содержащем общие принципы, цели и основные технологии, необходимые для их достижения.

В этот момент начинается второй, менее спонтанный и более структурированный этап, в ходе которого в игру вступают финансирующие агентства, крупные лаборатории, организованные группы и международные боссы физики высоких энергий. Возникают крупномасштабные коллаборации, которые учитывают необходимые ресурсы, запрашивают согласие наиболее важных институтов и иногда идут на компромиссные изменения в проекте, чтобы заручиться политической и финансовой поддержкой. Предложение о проведении эксперимента превращается в четко сформулированный план, который инженеры преобразуют в более подробные чертежи; стоимость проекта оценивается точнее, и становится ясно, как будут распределены обязанности по строительству.

Настоящий отбор, причем очень жесткий, происходит только в конце этого процесса. Одни предложения принимаются, другие безоговорочно отвергаются; к реализации допускаются лишь официально одобренные эксперименты.

Я познакомился с Мишелем Делла Негра в Ахене в октябре 1990 года. Я тогда с огромным трудом выцарапал себе эту поездку и даже поссорился из‑за нее со своим начальником. Он не хотел, чтобы я тратил силы на проект, из которого, как он утверждал, никогда ничего не выйдет. Мою затею он считал напрасной тратой времени. Члены группы, в которой я тогда работал, были ошеломлены, услышав крики из моего кабинета. Нехорошо, конечно, разговаривать на повышенных тонах, но в тот раз я по‑настоящему завелся. Что уж такого особенного я попросил? Позволить мне съездить на несколько дней в Германию на конференцию, посвященную новым детекторам, – вот и все! У меня была идея, которая, хотя и казалась мне дурацкой, однако же могла сработать, и я хотел поехать в Ахен, чтобы представить ее и обсудить с сотней безумцев, мечтающих открыть бозон Хиггса на LHC. Но мой шеф отнесся к этой затее плохо, очень плохо. Возможно, он понял, что будет дальше, даже раньше, чем понял это я сам: совсем скоро я уйду создавать другую группу, свою собственную. Да, возможно, уже тогда он догадывался, что наши пути вот-вот разойдутся навсегда.

Но в тот момент мной владело чувство ответственности, и оно требовало, чтобы я поехал в Ахен и изложил там свои идеи. В общем, начальник стал мне угрожать, а я сорвался и наговорил ему грубостей. В конце концов я все‑таки отправился на конференцию, но наши отношения испортились непоправимо. Этот эпизод я часто рассказываю самым молодым своим сотрудникам: “Если у вас есть мечта, не слушайте тех, кто пытается вас остановить, пускай даже это будут самые авторитетные физики мира: следуйте за своей страстью; возможно, осуществить мечту вам и не удастся, но вы точно не пожалеете, что попытались”.

Кристальное сердце CMS

Итак, я поехал в Ахен и предложил использовать кремниевые элементы в трековых камерах. Трековые детекторы – это сердце современных экспериментов по физике частиц, самая важная часть огромной цифровой камеры, которая реконструирует события. На этапе сооружения ускорителя именно эта часть зачастую оказывается наиболее сложной, поскольку детекторы устанавливаются вокруг зоны взаимодействия, находящейся непосредственно за пределами вакуумной трубы, в которой происходят столкновения. Их назначение – регистрировать очень слабые следы пролета сотен заряженных частиц, образующихся в зоне взаимодействия, определять параметры их траекторий и измерять их характеристики. Ожидаемые энергия и светимость LHC настолько велики, что все применявшиеся до тех пор технологии не годились. Предчувствие, что эта проблема может оказаться главным камнем преткновения, тревожило очень многих, в том числе и Руббиа. Карло предложил детектор типа “железный шар” – и вовсе не в шутку. Он считал, что реконструировать траектории частиц в коллайдере невозможно и что ни один детектор не выдержит тех адских условий, которые возникнут в центре зоны столкновений и вблизи нее во время работы ускорителя, и потому предлагал установить вокруг зоны взаимодействия огромную железную сферу многометрового диаметра и оснастить ее внешнюю сторону мюонными детекторами. Все частицы, образующиеся в зоне взаимодействий, будут поглощаться железом, и только мюоны, обладающие наибольшей проникающей способностью, смогут покинуть возникший “ад”. Тут‑то бозон Хиггса, распадающийся, согласно Стандартной модели, на четыре мюона с высокими энергиями, и попадется. Однако мы полагали подход Руббиа ошибочным. Без информации о том, что происходит в сердце ускорителя, открытие бозона Хиггса было бы невозможно. Требовалась уверенность, что четыре мюона приходят точно из одного и того же места и что они не образуются в результате случайно накладывающихся взаимодействий или распада других частиц.

Детекторы с кремниевыми элементами – одна из технологий, в которых я разбираюсь лучше всего. Я принадлежу к числу ведущих мировых экспертов по этому вопросу. Еще будучи совсем молодым, я стал в данной области едва ли не пионером: мы с шефом, тем самым, с которым я потом поссорился, разработали первые детекторы в лабораторных условиях и проверили их работоспособность. Когда мы ввели их в эксперимент, они позволили увидеть настолько четкие детали частиц, что сразу стало возможно большое количество новых измерений.

Тонкие кристаллы сверхчистого кремния, подобные тем, что используются в электронных устройствах, можно сделать чувствительными к прохождению заряженных частиц. В пластинках возможно сформировать множество электродов, расположенных на расстоянии нескольких сотых долей миллиметра друг от друга, которые собирают крошечное облако заряда, образующееся при пролете частицы. Сверхчувствительные усилители регистрируют сигнал, так что точки траектории известны с точностью до нескольких микрон, и восстановить следы, как под микроскопом, – дело нехитрое. С помощью кремниевых детекторов можно визуализировать детали взаимодействий, которые в противном случае были бы совершенно размыты.

Моя идея заключалась в том, что кремниевые элементы – самый правильный выбор для коллайдера. Правда, когда я заговаривал об этом, у собеседника обычно удивленно открывался рот. Еще бы! В условиях LHC нынешние детекторы продержались бы всего несколько недель. Излучение меняет характеристики кремния, и, если не принять специальные меры, детекторы быстро придут в негодность. Кроме того, никто пока не научился производить такие кристаллы в больших количествах, а нам они были нужны сотнями квадратных метров. Это очень дорогое и сложное изделие, изготовить которое под силу лишь нескольким компаниям в мире. Для оснащения приборов LHC нам требовалось в сотни раз больше кристаллов, чем можно было получить в 1990‑е годы, а стоить они должны были в десятки раз меньше. Вдобавок мы не знали, как создать необходимую электронику для считывания данных. Мы нуждались в миллионах миниатюрных усилителей, которым пришлось бы выдерживать радиацию устрашающего уровня. Одним словом, чистое безумие.

Когда я заговорил об этом с Мишелем Делла Негра, его глаза тут же заблестели и он сказал: “Идея кажется мне отличной. Почему бы вам не присоединиться к нам и не попробовать вместе воплотить ее в жизнь?”

Мишель Делла Негра – французский физик, чье имя выдает итальянское происхождение. Он учился в Парижской политехнической школе и работал вместе с Руббиа над открытием W– и Z-бозонов. Как и другие талантливые молодые люди, по окончании эксперимента он предпочел пойти собственным путем и дистанцировался от прежнего шефа, известного авторитарным характером и склонностью подавлять и отодвигать в тень любого, даже самого блестящего своего соавтора. Верным соратником Делла Негра был его заместитель, британский физик индийского происхождения Теджиндер Верди, которого все называли Джимом. Сикх, родившийся в Кении, он закончил университет в Англии и, будучи по натуре бойцом, упорно боролся с предрассудками и всевозможными препятствиями в таком крайне консервативном научном истеблишменте, как английский. Он тоже работал вместе с Руббиа, познакомился в то время с Мишелем, подружился с ним, и они оба решили попробовать трудиться независимо.

Встреча с Мишелем в Ахене изменила мою жизнь. Я присоединился к CMS главным образом потому, что Мишель мне сразу понравился. Он на несколько лет старше меня, целеустремленный, солидный и очень компетентный, хотя и совершенно не склонный хвастаться своими достоинствами. Именно Мишель и помогавший ему Джим предложили простой и элегантный дизайн CMS, который мы неделями обсуждали за столиками в кафе, заполняя салфетки каракулями. Этот дизайн покорил меня и своей красотой, и какой‑то сияющей бескомпромиссной ясностью.

Мы воспользовались той же успешной философией, что привела к открытию W– и Z-бозонов. Руббиа сделал ставку на их электронный распад. Для этого он установил в магнитном поле центральную трековую камеру и окружил ее электромагнитным калориметром – счетчиком, который поглощал электроны и фотоны, измеряя их энергии. Внутри магнита реконструировались треки и измерялись импульсы электронов, полностью распознававшиеся в момент поглощения их калориметром.

Идея была идеальной для того эксперимента, что проводился на базе Протонного суперсинхротрона SPS. А у LHC светимость будет в десять тысяч раз выше. К тому же в 1990‑е годы никто не знал, удастся ли идентифицировать следы электронов среди сотен других частиц, образующихся при столкновениях. Поэтому на сей раз Мишель решил сделать ставку на мюоны. Будучи тяжелее электронов, мюоны меньше взаимодействуют с веществом и могут проходить сквозь его слои толщиной в десятки метров.

В середине CMS расположен один гигантский цилиндрический магнит, внутри которого находятся и трековая система, и калориметры, организованные в виде слоев пластин различных материалов, способных поглощать менее проникающие частицы. А снаружи этот магнит одет слоем железа, образующим ярмо магнита с чередующимися мюонными камерами: их задача в том, чтобы реконструировать траекторию мюонов – единственных заряженных частиц, которым удалось вылететь наружу.

Образующиеся при столкновении мюоны с большой поперечной энергией, то есть движущиеся перпендикулярно оси столкновений, оставят следы в пиксельном детекторе внутри трековой камеры, пройдут через калориметры, никак с ними не провзаимодействовав, и вновь зарегистрируются специализированными детекторами за пределами магнита. Калориметры поглотят все остальные частицы, а мюоны однозначно идентифицируются, когда следы во внутреннем трековом детекторе будут ассоциированы с траекториями, реконструированными в мюонных камерах.

Такая вот схема – архетипический детектор, мечта любого физика-экспериментатора.

Момент выбора

В начале 1990‑х годов сложились четыре протоколлаборации LHC. Кроме CMS, тут был еще эксперимент L3p, тоже основанный на использовании большого центрального соленоида, который использовался в эксперименте L3 на LEP; остальные два эксперимента, EAGLE и ASCOT, основаны на тороидальном магнитном поле, свернутом как бублик, что принципиально отличает его от цилиндрической геометрии CMS. EAGLE разрабатывала группа исследователей под руководством Петера Йенни[26], швейцарского физика, который участвовал в эксперименте UA2, – неудачливом конкуренте Руббиа во время открытия W– и Z-бозонов. Проигрыш потряс членов команды, и они поклялись себе, что такое никогда больше не повторится.

Во время работы над UA2 Петер познакомился с молодой итальянкой, сотрудницей миланского Национального института ядерной физики. Она прекрасно разбиралась как в теоретической физике, так и в разработке новых детекторов. Миланская группа трудилась над созданием прототипа новой разновидности калориметров для электронов и фотонов, который мог бы использоваться в новом ускорителе, обсуждаемом в ЦЕРН. В нашем мире, где до сих пор доминирует мужской пол, эта молодая исследовательница, любительница живописи и музыки, отличающаяся мягкими манерами, пользуется огромным уважением. Она точна и авторитетна, и, когда говорит, все слушают ее молча. Если речь идет о физике, она всегда доходит до сути и никогда не тушуется перед проблемами. В общем, Петер нимало не колебался и сразу пригласил Фабиолу Джанотти присоединиться к сложным исследованиям нового детектора.

Из четырех экспериментов, предложенных для LHC, одобрены были только два. Заключение генерального директора ЦЕРН прозвучало веско и безапелляционно, но в нем содержался завуалированный компромисс: “Почему бы вам не попытаться свести все свои предложения к двум? В одном эксперименте будет использоваться геометрия соленоида, а в другом – геометрия тороида?” Последовали встречи и обсуждения между CMS и L3p с одной стороны и ASCOT и EAGLE – с другой.

Эксперимент L3p возглавлял Сэм Тинг[27], главный герой “ноябрьской революции”[28]. Во время нашей первой встречи я очень волновался. Новость о его открытии облетела весь мир, когда я только работал над диссертацией. Тинг смог зарегистрировать очарованный кварк (добавив, таким образом, четвертый к трем уже известным) – совершенно новую форму материи, и это вызвало в физике высоких энергий настоящую бурю. Нобелевскую премию за свое открытие он разделил в 1976 году с Бертом Рихтером.

И вот передо мной одна из самых легендарных личностей физики второй половины XX века. Первое, что я обнаруживаю в этом гении, – до крайности скверный нрав. Тинг агрессивен, высокомерен и взирает на Мишеля с нескрываемым презрением. Он готов объединить свои усилия с CMS, он сулит множество даров (деньги, специалисты, поддержка многих американских институтов), но при этом решительно настаивает на изменении основной идеи нашего эксперимента – той простой выдающейся конструкции, которая меня сразу же очаровала. Он обещает моря и горы, но хочет, чтобы все было иначе. С научной точки зрения аргументы Тинга не очень состоятельны, однако он явно желает быть тут главным. Все ясно: он, великий нобелиат, так и быть, согласен руководить стайкой неразумных подростков. И когда я вижу, как Мишель, нимало не смутившись, спокойно отвечает, что в таком случае и говорить не о чем, что при такой постановке вопроса CMS сохранит за собой свою независимость, я тут же понимаю, что свой эксперимент я уже выбрал.

И вот итог: L3p и CMS пошли на конкурс независимо, а EAGLE и ASCOT слились, образовав ATLAS (по первым буквам, плюс одна последняя, от A Toroidal Lhc ApparatuS, то есть “тороидальный аппарат Большого адронного коллайдера”). Когда в 1993 году, к удивлению многих, L3p был отвергнут, а ATLAS и CMS одобрены, всем стало ясно, что бывают случаи, когда даже ради политической целесообразности идти на компромисс не стоит. Нас, членов команды CMS, переполнял энтузиазм, но при этом мы твердо знали: по‑настоящему трудная игра только начинается.

Во многих отношениях наша судьба уже предрешена. ATLAS, родившийся из слияния двух экспериментов, навсегда останется и богаче нас, и мощнее, так сказать, в политическом отношении. Но у него есть своя ахиллесова пята: дабы угодить всем вошедшим в него группам, ATLAS вынужденно вместил в себя слишком много трудносовместимых технологий. Он рискует уподобиться слону – могучему, но неповоротливому. CMS как детектор понятнее, и новые сигналы должны идентифицироваться на нем быстрее; но технологии, предлагаемые для этого, настолько футуристичны, что заставить их работать будет совсем не просто.

Гипермиксер

Стоит только эксперименту быть официально утвержденным, как запускаются самые инфернальные механизмы. ЦЕРН тут же создал комитет из групп экспертов, который принялся контролировать происходящее. Ты должен предоставить детальное объяснение про все на свете и подробно спланировать свои будущие действия, составив бесконечный перечень подлежащих достижению промежуточных целей. А в основе всего – неистовый поиск новых сотрудников и завязывание контактов с самыми передовыми компаниями; темп исследований и разработок должен стать бешеным.

Мы словно бы оказались на гигантской карусели, которая крутится с дикой скоростью, или на американских (они же русские) горках, которые сначала затаскивают тебя в стратосферу, а потом обрушивают в глубочайшую из бездн.

Для нас это были годы, полные осмысленной самоотдачи. Мы неделями не вылезали из лаборатории, чтобы запустить очередной “невозможный” агрегат, который мы спроектировали и на создание которого запросили финансирование… но затем нам все равно приходилось “идти по миру” в поисках новых контактов, чтобы уже с их помощью искать тех, кто выделит нам средства и предложит новые идеи для разрешения многочисленных проблем.

При утверждении экспериментов устанавливается их бюджет, то есть по каждому эксперименту определяется потолок расходов; выходить за эти пределы не позволяется. Мы должны были уложиться в 475 млн швейцарских франков – бюджет, одинаковый для обоих экспериментов. Но это не означало, что средства были нам гарантированы. Они появились бы только в том случае, если мы сумели бы убедить ученых по всему миру принять участие в нашем предприятии и побороться со своими финансирующими организациями за помощь в создании CMS.

Любой такой эксперимент – коллективное предприятие, в котором участвует вся планета. Каждая страна – или сама по себе, или в группе с другими странами – действует в рамках одного либо нескольких подпроектов, которые она берется реализовать. Как правило, отдельные блоки экспериментальной установки изготавливаются в различных национальных лабораториях по централизованно заданным спецификациям. Затем все перевозится в ЦЕРН, где собирается, устанавливается и приводится в действие.

Так, мы летим на просторы постсоветской России, чтобы договориться о продаже сотен тонн латуни, которая требуется для наших калориметров. Северный флот ВМФ, базирующийся в Мурманске, выводит из эксплуатации большое количество тяжелых артиллерийских снарядов. Если нам удастся убедить моряков уступить латунь из боеголовок дешевле, чем она стоит на Западе, мы сэкономим миллионы франков. Российские коллеги-физики приходят нам на помощь, и у нас все получается. В результате переплавки одного миллиона снарядов мы получаем триста тонн латуни и таким образом вносим свой вклад в разоружение. Затем мы отправляемся в Таксилу, заветное место в пакистанских горах, где в археологическом музее хранятся артефакты с надежными свидетельствами о пребывании здесь Александра Македонского. Мы летели туда, чтобы осмотреть завод по производству тяжелых танков. На нем можно производить крупногабаритное стальное оборудование, которое будет использоваться для поддержки специального калориметра. Дальше – полет в Японию: тамошняя компания по производству полупроводников обещает изготовить большое количество кремниевых пластин для наших детекторов. Но лучше поехать и проверить все на месте. И мы летим туда и после прелюбопытнейшего завтрака, состоявшего из овощного супа и сырых креветок, натягиваем специальные комбинезоны и ботинки и отправляемся в чистые помещения, где выращиваются и обрабатываются кристаллы кремния. Несколько дней мы обсуждаем с японскими инженерами все детали, чтобы понять, достижимы ли наши цели. А затем мчимся в Корею, чтобы посетить верфи, на которых можно изготовить оборудование для установки магнита.

Все эти поездки нужны еще и для того, чтобы познакомиться с новыми группами и подыскать новых участников коллаборации. Таких поездок было множество, но одна мне запомнилась особенно. Я приехал в Фермилаб, чтобы попытаться привлечь к проекту своих многочисленных друзей: ведь я проработал в этой лаборатории немало лет. Лаборатория по сборке полупроводниковых детекторов, оборудованная между прудами с утками и лужайкой, очень бы пригодилась для производства десятков тысяч элементов, необходимых нам для CMS. Руководил ею мой коллега, физик из Чикаго, с которым мы провели несколько приятных вечеров за столом с любимой едой Текса Уиллера[29] – стейками толщиной в палец и горой картошки фри. По глазам коллеги я понял: он будет в игре; да, я убедил Джо Инканделу присоединиться к нашему предприятию.

То были годы, богатые и на чудесные события, и на конфликты. Временами технологии, предложенные какой‑то группой, не давали желаемого результата; от них приходилось отказываться и сразу начинать искать что‑то иное. Некоторые из тех, кто годами работал над этой технологией, но вдруг осознавал, что она никому не нужна, не могли справиться с разочарованием и даже покидали эксперимент. После мучительных споров пути старых друзей, долгие годы трудившихся бок о бок, все же расходились.

А ведь были еще и кризисы, через которые мы прошли на стадии строительства и касавшиеся в основном наиболее чувствительных компонент. Магнит, трековая камера и электромагнитный калориметр – это технологические жемчужины, делающие эксперимент CMS уникальным. Но их конструкция настолько обогнала свое время, а сами они оказались настолько сложны в изготовлении, что любая неудача с ними могла легко обернуться провалом всего проекта.

О трековой камере сказано уже достаточно. Магнит – это огромный соленоид, цилиндрическая катушка длиной 13 м и диаметром 6 м. При таком размере его можно собрать только по частям, поскольку ни одно устройство в мире не способно совладать с ним как с единым целым. Индукция магнитного поля внутри него должна достигать 4 Тл – это самый большой сверхпроводящий магнит в мире. Но для его обмоток не годился ни один из известных типов кабеля; надо было создавать новый, способный выдерживать электрический ток очень высокой плотности, исключительно стабильный и механически настолько прочный, чтобы он мог выдержать чудовищное – в тысячи тонн силы – растяжение, вызываемое в катушке магнитными силами. Размер катушки не позволял доставить ее в ЦЕРН по автострадам: тоннели были для нее маловаты. Мы разработали план ее погрузки на баржу в Марселе, а затем медленной буксировки по реке Роне – именно так поступали реставраторы великих готических соборов. На последнем участке пути нам пришлось воспользоваться проселками, проходящими через живописные швейцарские деревни, но перед этим еще демонтировать все светофоры и дорожные указатели, потому что иначе катушку было не провезти.

Перейдем теперь к электромагнитному калориметру. Было решено, что свое внимание мы сосредоточим на фотонах и электронах. Наши первоначальные сомнения рассеялись, когда стало ясно, что их можно реконструировать даже в ужасных условиях LHC. Однако нам требовался очень специальный калориметр. Возможность реконструировать на нем распады бозона Хиггса на электроны с очень высокими энергиями – важное достижение. А если бы масса бозона Хиггса оказалась в диапазоне 100–150 ГэВ, то мы смогли бы использовать редкий, но очень чистый распад, служащий верным признаком присутствия этой частицы, – распад на два высокоэнергетических фотона. Сложный электромагнитный калориметр сделал бы CMS еще более конкурентоспособным и увеличил бы его шансы на успех.

И калориметру CMS суждено было стать настоящим сокровищем, соединившим в себе 75 000 сцинтилляционных кристаллов – сверхбыстрых датчиков, реагирующих слабой световой вспышкой на каждый поглощенный его (калориметра) массивным телом электрон или фотон. Измерив, сколько света было излучено, можно с совершенно уникальной точностью определить суммарную энергию поглощенных частиц, но для этого нужно иметь достаточное количество кристаллов достаточной чистоты, изготовить которые, похоже, не был способен никто в мире. Нам требовался совершенно необычный материал: соль, в состав которой входят два непрозрачных и тяжелых металла – свинец и вольфрам. Соединяясь с кислородом, они чудесным образом превращаются в огромные кристаллы, очень плотные и прозрачные. Это истинное чудо химии, секрет которого известен немногим. Мы с трудом нашли завод в России, где производят такие кристаллы; во времена Брежнева он процветал, но потом оказался на грани банкротства. Мы даже отыскали людей, которые знают, как сделать нужные нам кристаллы, но завод находился в совершеннейшем запустении: тигли для их выращивания были снабжены источниками питания 1930‑х годов и в любой момент могли выйти из строя, а когда на крыше таял снег, то вода дождем лилась внутрь цехов. Все оборудование нуждалось в реконструкции.

Так что какие только кризисы не приходилось нам преодолевать! Провод в электромагните не поддавался пайке; кристаллы для калориметра, вероятно, и можно было бы изготовить, но затраты бы при этом удвоились. Первые кремниевые датчики мы получили с множеством дефектов, и работали они не очень стабильно. А позднее, когда нам уже было показалось, будто проблемы разрешились и жизнь возвращается в нормальное русло, вдруг выяснилось, что вся электроника, которую мы предполагали использовать для трековой камеры и калориметра, не работает и ее придется собирать заново. До запуска ускорителя оставались считанные годы, и ATLAS, несмотря на собственную порцию сложностей, бодрым тевтонским шагом двигался к финальной сборке, причем это их продвижение совершенно не походило на беспорядочные скачки и метания нашей “Армии Бранкалеоне”[30], как некоторые называли команду, сплотившуюся вокруг CMS.

Нас поджидал и еще один подвох. Чтобы разместить большие детекторы вокруг зон столкновения, надо было рыть такие огромные подземные залы, что в них с легкостью бы поместился собор Парижской Богоматери[31]. При этом (ну кто бы сомневался!) камера под ATLAS была выкопана в срок и без проблем. Нам же каждый новый месяц работы предлагал новую задачу. После первого же удара киркой мы вынуждены были остановиться, потому что наткнулись на древнеримскую виллу – единственную на много гектаров вокруг. Уже потом выяснилось, что пастбище Чесси, на котором предполагалось возводить инфраструктуру CMS, находится прямо на перекрестке важной римской дороги, у которой расположена вилла IV века, до сих пор изобилующая монетами и артефактами. Когда мы начали рыть большую шахту, то натолкнулись на подземную реку, несущую воды со склонов Юрá к озеру. Чтобы продолжить работу, пришлось возводить вокруг шахты трехметровый ледяной барьер, закачав в нее для этого промышленные объемы жидкого азота при температуре –195 °C. Вскрыв подземную полость, мы обнаружили, что за первый год она накренилась на три сантиметра. Следовательно, нашим высокоточным детекторам грозила опасность: им пришлось бы все время рыскать по неверной поверхности, а нам – навсегда забыть об их юстировке. Однако и на этот раз расчеты инженеров, к счастью, оказались точными: все встало на свои места, когда детектор весом в 14 000 т стабилизировал огромную подземную конструкцию.

Все эти проблемы заставляли нас проводить дополнительные исследования и искать новые решения, из‑за чего накапливалось отставание. Появились острословы, которые – обнаружив в очередной раз, что подземная камера CMS все еще пустует, тогда как камера под ATLAS заполнена оборудованием, вокруг которого кипит жизнь, – принялись коверкать наше название. Я готов был взорваться от негодования, когда слышал в столовой: See-a-mess — то есть “посмотри на бардак”. Злая шутка, хотя в ней и была доля правды.

В те годы мы не раз начинали сомневаться. Не вознамерились ли мы прыгнуть выше головы? Не слишком ли многое себе навоображали? Не слишком ли положились на недостаточно устоявшиеся и ненадежные технологии? Много лет мы существовали в атмосфере всеобщих придирок, и нам было страшно, что у нас ничего не получится. ATLAS работает, как швейцарские часы, а CMS вечно опаздывает. Конкуренты уже определились с цветом кабельных этикеток, а мы все еще не уверены, что у нас есть нужные компоненты детекторов.

Но потом вдруг что‑то поменялось и все заскользило как по маслу. 28 февраля 2007 года нам удалось опустить в раскоп центральный элемент CMS, включая и сам магнит, и я понял, что мы успеем все сделать вовремя. Это была зрелищная операция, прямую трансляцию которой на весь мир вела Би-би-си. Мы потом долго еще не могли отдышаться.

В отличие от ATLAS, который монтировался в своей подземной камере, CMS был спроектирован так, чтобы его надо было собирать, словно конструктор Lego. Гигантский цилиндр был разделен на одиннадцать крупных фрагментов, каждый из которых собирался наверху, а затем они один за другим опускались вниз и вставали в нужное место детектора. Такой модульный подход буквально спас нас. Он позволил изготовить самые инновационные компоненты за несколько недель до начала работы LHC и быстро интегрировать их в нужное место конструкции.

Самый ответственный момент этого этапа – спуск в камеру центральной части CMS, самого тяжелого из всех фрагментов, весом в 2 000 т, состоящего из металла и чрезвычайно хрупких компонентов. Его надо было подвесить на стальных тросах и аккуратно опустить на сотню метров, причем так, чтобы внутри него не возникало даже малейших напряжений. Никто в мире еще не делал ничего подобного, и компании, специализирующейся на большегрузной подъемно-транспортной технике, пришлось разработать совершенно уникальную процедуру. От успеха этой операции зависело буквально все. Если бы ничего не вышло, то не было бы и CMS.

И вот наступает знаменательный день. Все на месте уже к пяти утра, чтобы не пропустить начала работы и в ужасе замирать при малейшем дрожании стальных канатов. Тут Джим Вирди, новый спикер от CMS, менее года назад сменивший на этом посту Мишеля, я, назначенный его заместителем, и Остин Болл, ответственный за строительство и технический координатор эксперимента. Чтобы преодолеть эти сотни метров, требуется много, ужасно много часов. Медленный, изнурительный, бесконечный спуск. Когда в 18.32 огромная конструкция касается наконец пола камеры, все с облегчением аплодируют и даже кричат от радости. Мы, как дети, прыгаем, обнимаемся и обнимаем техников и инженеров. Мы понимаем, что теперь у нас все получится. Ничто уже не сможет остановить CMS.

Ты знаешь, что бозон Хиггса открыли на LEP?

В те пятнадцать лет, что прошли с момента постройки LHC, открылось окно возможностей для обнаружения бозона Хиггса. В первый период работы LEP, когда ускоритель был ориентирован на изучение Z-бозонов, поиски бозона Хиггса давали отрицательные результаты и позволяли лишь установить нижний предел массы этой неуловимой частицы. Но исследования становились все более интересными по мере того, как в LEP увеличивали энергию столкновений. В период с 1995 по 2000 год, пока мы бились над созданием детекторов LHC, LEP достиг энергии 209 ГэВ. И тут произошло нечто из ряда вон выходящее.

До сих пор помню взволнованное выражение лица одного молодого исследователя, который зашел в мой кабинет летом 2000 года рассказать о пронесшемся в кафетерии слухе, будто в одном из экспериментов на LEP обнаружили бозон Хиггса с массой 114 ГэВ. Вскоре об этом уже заговорили все, а в сентябре был организован семинар, на котором представили результаты. Похоже, слухи действительно имели под собой основание. Слабые сигналы фиксировались более чем в одном эксперименте, и данные выглядели вполне согласованными, хотя количество наблюдаемых событий было чересчур велико по отношению к предсказаниям Стандартной модели.

Тема бурно обсуждалась с руководством ЦЕРН, который в то время возглавлял итальянский физик Лучано Майани. Решение требовалось принять быстро. Чтобы начать установку магнитов для LHC в соответствии с планом, надо было закрыть LEP в конце 2000 года. Любая задержка могла сильно повлиять на график постройки нового ускорителя. С другой стороны, за последние несколько недель появились признаки, вроде бы указывающие на то, что бозон Хиггса массой в 114 ГэВ у нас уже фактически в руках. Еще несколько месяцев – может быть, год, – и на LEP можно будет совершить открытие века.

Последовали напряженные дни жарких споров. В итоге Майани согласился всего лишь на несколько недель сбора данных, а позднее, увидев, что получаемые сигналы остаются крайне ненадежными, вообще остановил эту работу и принял решение закрывать старую установку. Физики LEP яростно его критиковали. Рвались многолетние дружеские связи, сыпались оскорбления, рождались глубочайшие обиды. Долгие годы те, кто поверил в сигналы, полученные на LEP, будут твердить, что бозон Хиггса уже открыт, что его масса равна 114 ГэВ и что на LHC его всего лишь переоткроют. Но в конце концов выяснится, что это была злокачественная статистическая флуктуация; такое порой случается, особенно когда ускоритель близок к дате своей окончательной остановки. Майани оказался прав: даже продолжая получать новые данные, идентифицировать объект с энергией 125 ГэВ на LEP было бы невозможно. Когда после открытия Хиггса я спросил Майани, кто из оскорбителей нашел в себе мужество извиниться или хотя бы просто признать его правоту, Лучано в ответ лишь улыбнулся.

После закрытия LEP эстафета в поисках бозона Хиггса перешла к чикагскому Тэватрону; LHC только начинал строиться. Воодушевленные открытием в 1995 году топ-кварка, ученые Фермилаба решили довести светимость ускорителя до предела и усовершенствовать детекторы, используя для этого также некоторые технологии, разработанные для LHC.

В первое десятилетие нового века окно возможностей для поимки бозона Хиггса открылось и на Тэватроне. Тем более что тогда – из сравнения масс топ-кварка и W-бозона с результатами прецизионных измерений массы Z-бозона – были получены непрямые оценки массы бозона Хиггса, которые свидетельствовали в пользу относительно низких значений, близких к значению 114 ГэВ, вызвавшего такой ажиотаж вокруг LEP. На таких энергиях у Тэватрона был шанс сорвать джекпот, обогнав LHC, и в какой‑то мере отыграться за неудачу с SSC.

Великий праздник и черная пятница

И вот все уже позади – и колоссальное напряжение, и череда взлетов и падений. Ускоритель готов к пуску. Наступает ответственный момент нашего захватывающего приключения. Ускоритель завершен, он прошел множество испытаний, доведен до рабочей температуры, готов к разгону первых пучков частиц. Детекторы также готовы; нам пришлось совершить вокруг ускорителя не одно сальто-мортале, чтобы установить и запустить последние компоненты, но в конце концов мы все успели. И CMS вовремя выходит на старт.

Трудно описать наш энтузиазм тех дней – энтузиазм поистине всепоглощающий и заразительный. Несколько лет мы провели на грани катастрофического провала, но теперь мы во всеоружии, готовы действовать и уверены, что обнаружим не только бозон Хиггса, но и суперсимметрию, и даже – а почему бы и нет? – новые состояния материи, предсказываемые теориями экстраизмерений.

Я вспоминаю то время, как период некоей эйфории. Возможно, все произошедшее потом отчасти объясняется той самоуверенностью, которая переполняла тогда нас всех. Той особой формой высокомерия, hybris, которая так хорошо описана в древнегреческой литературе и которая овладевает людьми, когда они, возгордившись, решаются на великие подвиги, – и за это на них обрушивается катастрофа.

Утро 10 сентября 2008 года. Все ожидают пуска ускорителя. ЦЕРН пригласил сотни журналистов. Впервые ускоритель элементарных частиц вводится в действие в присутствии представителей крупнейших СМИ всего мира. В безумные недели, предшествовавшие этому событию, мне, Фабиоле, Джиму Вирди и Петеру Йенни пришлось изыскать время, чтобы научиться работать со СМИ. Пара бойких журналистов Би-би-си часами растолковывала нам, как следует отвечать на самые агрессивные вопросы и уворачиваться от ловко расставленных репортерами ловушек.

Всеобщий интерес нарастал оркестровым крещендо, но связан он был с совершенно иррациональным страхом того, что запуск LHC обернется концом света. Мы были измучены непривычным для нас повышенным вниманием, нас шокировала жуткая чепуха, распространяемая газетами и разнообразными сайтами, мы тонули в потоке просьб об интервью и комментариях, отнимавших у нас бездну времени. Зато сотрудники отдела по связям с общественностью ЦЕРН сияли от счастья. Опасения, что черная дыра уничтожит мир, спровоцировали пароксизм внимания к происходящему в Женеве, а для них это – бесценная возможность поговорить с широкой публикой на научные темы, которые обычно мало ее интересуют.

В 10.28 инжектируется первый сгусток протонов; он совершает первый полный оборот и радостно влетает в тонкую керамическую пластину, оставляя на ней красивый эллиптический отпечаток. Это доказательство того, что все работает как надо. В зале центра управления аплодисменты. Руббиа и Лин Эванс празднуют первый вздох своего детища.

Возбуждение царит и в центрах управления экспериментами. Летят в потолок пробки из бутылок шампанского, в прямой эфир идут репортажи Би-би-си, Си-эн-эн, Аль-Джазиры и многих других компаний. То, насколько мировые медиа поглощены происходящим, я понял, когда общался со съемочными группами всех трех телеканалов Итальянского радио и телевидения (RAI) – Tg1, Tg2 и Tg3.

До сих пор я с горечью вспоминаю о том, что примерно годом ранее я звонил руководству Tg1, чтобы предупредить о готовящейся Би-би-си прямой трансляции спуска CMS в подземную камеру. Мне казалось важным, чтобы RAI тоже подготовили свой репортаж. Но это оказалось невозможно, поскольку (цитирую дословно): “Профессор, на этой неделе проходит фестиваль, и все наши сотрудники сейчас в Сан-Ремо, чтобы освещать это музыкальное событие”. Лишь всеобщий испуг перед черной дырой смог убедить RAI в том, что иногда стоит рассказывать не только о песнях.

10 сентября 2008 года состоялся праздник на глазах у всей планеты. Никакой черной дыры не образовалось, а самая сложная экспериментальная установка в мире работала в точности так, как и ожидалось. Ускоритель начал работу в назначенное время, и пучки частиц плавно совершали свое круговое движение – а вокруг было много улыбающихся лиц, и повсюду звучали громкие тосты.

Но эйфория длилась недолго, и мы дорого за нее заплатили. Не прошло и десяти дней, как в пятницу, 19 сентября, из‑за дурацкого дефекта в контакте случилась катастрофа, которая остановила работу более чем на год.

Было 11.18, когда сотрудники, дежурившие в пультовой, поняли: произошло что‑то серьезное. Проводились рутинные пусконаладочные работы. Перед их началом полагалось протестировать все восемь секторов, на которые было разделено 27‑километровое кольцо. На этот случай существовал очень четкий протокол, в соответствии с которым через обмотки магнита следовало пропускать ток до тех пор, пока не возникнет номинальное поле, способное удерживать на орбите протоны, разогнанные до энергий в 7 ТэВ. Этот тест никогда не удавалось провести для всех секторов. Лишь в некоторых из них поле достигало номинального значения, а во многих других оно оказывалось вдвое слабее. Накапливающиеся то тут, то там задержки стали в итоге указывать на последний сектор, 3–4, находящийся под Юрá. Но дата пуска LHC уже была назначена, поэтому окончание испытаний решили отложить на потом. И действительно, 10 сентября все прошло успешно. Однако теперь надо было довести испытания до конца, увеличивая силу тока в магнитах последнего сектора. И тут случилось такое, чего никто не ожидал.

На одном из последних этапов испытаний, когда по обмотке магнита шел ток в 8 700 А (ампер) при целевом значении в 10 000, произошло непоправимое. Я до сих пор помню дрожь в голосе Франческо, одного из многих молодых итальянских инженеров, которые провели несколько месяцев в тоннеле, подготавливая к работе один сектор за другим. В момент аварии он находился в зале центра управления. Вот его слова: “Это была невообразимая картина. Сработали десятки сигналов тревоги, а камеры в тоннеле показывали густой туман, который образуется при сильной утечке гелия”.

В официальном коммюнике ЦЕРН говорилось вначале о сбое, который должен был привести к задержке в пару месяцев. Когда через несколько недель Лин Эванс и группа инженеров спустились в тоннель, чтобы проверить, что же произошло на самом деле, их глазам предстала ужасающая картина. Несколько магнитов оказались сдвинуты со своих мест. Взрыв – а речь явно шла именно о взрыве – снес 27‑тонные объекты, как солому, смяв прочные стальные трубы так, словно они были из фольги. Стенки исключительно хрупкой вакуумной камеры, по которой за десять дней до катастрофы неслись протоны, были разорваны в нескольких местах, а ее внутренняя поверхность оказалась на сотни метров загрязнена смертоносной пылью, прилипшей к стенкам. Были потеряны четыре тонны жидкого гелия, который, испарившись за секунды, развеялся по сотням метров тоннеля. Там все замерзло и – из‑за водяных паров в воздухе – покрылось толстым слоем льда и инея. Замерзший тоннель, в котором к тому же из‑за гелия не осталось кислорода, стал на несколько недель непроходимым. Это был подлинный катаклизм.

Анализ аварии показал, что все произошло из‑за одного дефектного контакта в одном из 12 000 соединений между магнитами. Что‑то в нем было не так, и из‑за этого “не так” сопротивление оказалось больше, чем надо. При прохождении тока силой в 9 000 А крошечная точка нагрелась до температуры плавления, а в возникшей щели возникла дуговая искра, которая пробила контейнер с жидким гелием. В результате произошел взрыв с ударной волной, повредившей десятки магнитов и другие компоненты ускорителя.

Эмилио Пикассо, которому осложнения, возникавшие во время рытья тоннеля под LEP, доставили немало хлопот, был одним из немногих, кого не удивило случившееся. Как‑то во время ужина он сказал мне: “С того момента, как сектор 3–4 однажды полностью затопило, мы понимали, что получим тут еще много проблем. Воздух там насыщен влагой. Несмотря на то, что для гидроизоляции тоннеля было сделано все возможное, кабель, стоит ему полежать там пару часов, полностью окисляется, и если окись тщательно не счистить, контакт будет дефектный”.

Последствия инцидента оказались тяжелыми. Лин Эванс определил их по обыкновению сухо и эффектно: “Мы получили удар в челюсть, который напрочь нас вырубил”. Скоро выяснится, что для проведения ремонта потребуется больше года. Существовал даже риск того, что запустить ускоритель заново уже никогда не удастся. Сколько еще дефектных сварных швов скрывается среди тысяч взаимосвязанных магнитов? Эта авария выявила недостаток в контроле качества, который мог вновь дать знать о себе. Необходимо было принять меры по исправлению ситуации, то есть заново все проверить и обезопасить всю систему. Непоправимо поврежденные магниты мы могли заменить, но если бы произошла еще одна подобная авария, наших запасов бы уже не хватило и ускоритель пришлось бы остановить. Линии по производству магнитов были уже демонтированы, и на их повторный запуск потребовался бы не один год.

Остановка LHC как минимум на два года – вот к чему бы привело решение распаять каждый контакт и заново его заварить. В итоге мы пошли на определенный риск: решили заменить поврежденные магниты и принять все возможные меры предосторожности для смягчения последствий эвентуальных аварий; так мы смогли возобновить работу в 2010 году и продолжать сбор данных в течение всего 2011 года. Эксплуатация LHC на расчетной энергии становилась невозможна – риск был бы слишком велик. Мы намеревались начать с энергии в 7 ТэВ при светимости на порядок ниже, чем планировалось. А начав в 2012 году ремонт соединений, можно было надеяться через несколько лет вывести ускоритель на максимальную проектную энергию.

На сотрудников всех коллабораций авария подействовала удручающе. Особенно она сказалась на молодых. В их глазах читались гнев, разочарование, досада. Зимой 2008–2009 годов я встречался с десятками из них – чтобы выслушать, помочь решить какие‑то проблемы, попросту дать им возможность выговориться. Среди них были такие, кто годами ждал данных, чтобы дописать диссертацию и начать искать работу; у кого‑то был уже назначен день свадьбы, а жениться или выходить замуж хотелось с дипломом в кармане; были молодые люди, чьи стипендии или контракты истекали задолго до того, как LHC сможет снова вступить в строй. В каких‑то случаях мне удавалось помочь или хотя бы минимизировать ущерб, но десяткам молодых сотрудников пришлось, к сожалению, просто уволиться.

Ну, а нам явно предстояло сменить все наши научные приоритеты. “Забудьте о Хиггсе, ребята!” – так можно было бы передать суть этой смены. С ускорителем, который будет работать на энергии, вдвое меньшей проектной, и со светимостью, в сто раз меньшей, нет никакой надежды на открытие “частицы Бога”. Больше всего угнетало то, что этот сбой даст Тэватрону возможность выйти на финишную прямую раньше нас. После долгих лет неизвестности и напряженной работы мы рискуем увидеть, как цель, к которой мы так долго стремились, ускользает от нас.