Закрученные пассажи

Глава 8 Экспериментальная интерлюдия: проверка Стандартной модели

Икару опять приснилось, что он встретил квантового детектива, на этот раз сыщик знал, что ему нужно, и у него была неплохая идея, где это должно быть. Все, что он должен был делать, — это ждать. Если он не ошибся, то рано или поздно его жертва появится.

Искать тяжелые частицы непросто. Но именно этим делом мы и должны заниматься, если собираемся выяснить лежащую в основе Стандартной модели структуру и в конце концов физический состав Вселенной. Наибольшая часть наших знаний о физике частиц получена с помощью экспериментов на ускорителях частиц высоких энергий, в которых сначала ускоряется быстро летящий пучок частиц, которые затем испытывают соударения с частицами других типов.

В коллайдерах частиц высоких энергий ускоренный пучок частиц на самом деле сталкивается с ускоренным пучком античастиц, так что они встречаются в малой области, содержащей огромное количество энергии. Эта энергия иногда превращается в тяжелые частицы, обычно не встречающиеся в природе. Коллайдеры частиц высоких энергий — то единственное место, где рождаются самые тяжелые известные частицы с момента Большого взрыва, когда значительно более горячая Вселенная содержала все частицы в изобилии. На коллайдерах в принципе можно создавать пары частиц и античастиц любого сорта, если только хватает энергии для рождения конкретной пары, что определяется формулой Эйнштейна E = mc².

Однако целью физики высоких энергий является не только поиск новых частиц. Эксперименты на коллайдерах высоких энергий дают информацию о фундаментальных законах природы, которые не доступны для наблюдения никаким иным способом, законах, которые действуют в области, слишком малой для того, чтобы ее можно было увидеть непосредственно. Эксперименты при высоких энергиях — единственный способ исследования любых взаимодействий, действующих на необычайно малых расстояниях.

В этой главе пойдет речь о двух экспериментах на коллайдерах, которые, с одной стороны, очень важны для подтверждения предсказаний Стандартной модели, а с другой стороны, накладывают ограничения на то, какие возможные теории за этим стоят. Сами эксперименты производят большое впечатление.

Но они должны также дать вам почувствовать, с чем в будущем предстоит столкнуться физикам, когда они обратятся к поискам новых явлений, например дополнительных измерений.

История поиска топ-кварка замечательно иллюстрирует трудности поиска частиц на коллайдере в ситуации, когда его энергии едва хватает для их рождения, и экспериментаторам приходится применять все свое мастерство. Хотя топ-кварк не является частью какого либо атома или известного вещества, без него Стандартная модель была бы несамосогласованной, так что большинство физиков с начала 1970-х годов было уверено в его существовании. Однако вплоть до 1995 года никому не удавалось зарегистрировать хотя бы один топ-кварк.

К этому времени эксперименты по поиску топ-кварка тщетно проводились много лет. Кварк b, следующая по массе частица Стандартной модели, масса которой в пять раз больше массы протона, был открыт в 1977 году. Хотя физики в то время полагали, что топ-кварк вот-вот будет открыт, и экспериментаторы уже вступили в соревнование, кто быстрее его найдет и прославится, ко всеобщему удивлению опыт за опытом не давал результатов. Топ-кварк не могли найти на коллайдерах, работавших при энергиях в 40, 60 и даже 100 раз больших, чем та, которая нужна для рождения протона. Очевидно, что топ-кварк был тяжелым, существенно тяжелее всех других кварков, которые были уже открыты. Когда наконец после 20 лет поисков топ-кварк проявился на опыте, оказалось, что его масса почти в 200 раз больше массы протона.

Поскольку топ-кварк так тяжел, соотношения специальной теории относительности утверждают, что он может родиться только на коллайдерах, работающих на сверхвысоких энергиях. Такие энергии неизбежно требуют больших размеров ускорителя, так что сконструировать и построить подобный ускоритель технически очень трудно.

Тем ускорителем, на котором в конце концов получили топ-кварк, стал Тэватрон в Батавии, штат Иллинойс, в 30 милях от Чикаго. Коллайдер в Фермилабе был изначально спроектирован на энергии, много меньшие тех, которые нужны для рождения топ-кварка, однако инженеры и физики внесли множество изменений, необычайно усиливших возможности коллайдера. В 1995 году в итоге всех этих улучшений Тэватрон приступил к работе при значительно большей энергии, чем запланированная, производя при этом намного больше соударений, чем могла исходная машина.

Тэватрон, который все еще работает, находится в Фермилабе, ускорительном центре, который был официально открыт в 1972 году и получил свое имя в честь физика Энрико Ферми. Когда я впервые посетила Фермилаб, меня очень позабавило, что в этом месте росла дикая пшеница, бродили гуси и, как ни странно, бизоны. Если не считать бизонов, местность была унылой и ничем не примечательной. Кинофильм Мир Вейна снимался в местечке Аврора в пяти милях к югу от Фермилаба, и если вы видели этот фильм, то можете легко представить себе окружающую Фермилаб местность. К счастью, тамошние физики достаточно привлекательны, чтобы несмотря ни на что можно было чувствовать себя счастливой.

Тэватрон получил свое имя потому, что он ускоряет как протоны, так и антипротоны до энергии в один ТэВ, т. е. 1000 ГэВ, — самой большой энергии, достигнутой до сих пор на ускорителе. Пучки протонов и антипротонов большой энергии, порождаемые Тэватроном, крутятся по кольцу и каждые 3–5 мкс сталкиваются друг с другом в двух точках соударения.

Две разные коллаборации экспериментаторов установили свои детекторы в каждой из двух точек соударения, где пересекаются пути пучков частиц и античастиц и могут происходить интересные физические явления. Один из экспериментов получил название CDF (Collider Detector of Fermilab), а другой — название D0, являющееся обозначением точки соударения протонов с антипротонами, в которой был установлен детектор. В обоих экспериментах широко проводился поиск новых частиц и физических процессов, но в начале 1990-х годов все было нацелено на поиск Святого Грааля — обнаружение топ-кварка. Каждая коллаборация стремилась первой найти его.

Многие тяжелые частицы нестабильны и практически мгновенно распадаются. В этом случае экспериментаторы ведут поиск не самой частицы, а ее продуктов распада. Например, t-кварк распадается на d-кварк и W (заряженный калибровочный бозон, являющийся переносчиком слабого взаимодействия). В свою очередь, W распадается либо на лептоны, либо на кварки. Таким образом, в экспериментах по поиску топ-кварка ищут d-кварк в сочетании с другими кварками или лептонами.

Однако частицы не рождаются с бирками, на которых написано их имя, поэтому детекторы должны идентифицировать их по отличительным свойствам, например, значению электрического заряда, или взаимодействиям, в которых они участвуют, и регистрация этих свойств происходит в разных частях детектора. Два детектора CDF и D0 разделены на сегменты, каждый из которых фиксирует разные характеристики частиц. Один сегмент, трекер, детектирует заряженные частицы по электронам от ионизованных атомов, образующихся на пути этих частиц. Другой сегмент, называемый калориметром, измеряет энергию, выделяемую частицами при прохождении сквозь детектор. У детекторов есть и другие компоненты, которые могут идентифицировать частицы с иными характерными отличительными свойствами, например b-кварк, живущий до распада дольше большинства других частиц.

Как только детектор регистрирует сигнал, он передает его по сложной системе проводов и усилителей и записывает соответствующие данные. Однако не все, что детектируется, стоит того, чтобы это записывать. При столкновении протона и антипротона интересные частицы вроде топ- и антитоп-кварков рождаются очень редко. Значительно чаще в результате соударений возникают только более легкие кварки и глюоны и, следовательно, не происходит ничего, представляющего интерес. На самом деле на каждый топ-кварк, образованный в Фермилабе, приходилось десять триллионов событий соударений, не содержавших топ-кварк.

Ни одна вычислительная система не имеет достаточной мощности для того, чтобы выделить одно интересное событие среди такой кучи бесполезных данных. Поэтому экспериментаторы всегда используют триггеры — устройства, в которых сами компьютеры и заложенные в них программы действуют как вышибалы в ночном клубе и позволяют записывать только потенциально интересные события. Триггеры в CDF и D0 свели число событий для дальнейшего просеивания к одному на сто тысяч. Это все еще трудная задача, но намного легче поддающаяся обработке, чем одно искомое событие на десять триллионов бесполезных.

Как только информация записана, физики приступают к ее интерпретации и пытаются реконструировать те частицы, которые возникали в каждом интересном соударении. Так как соударений и частиц всегда много, а число блоков информации всегда ограничено, реконструкция результата соударения представляет невероятно сложную задачу, заставляющую людей проявлять всю свою находчивость и мастерство и часто приводящую к новым успехам в обработке данных в дальнейшем.

В 1994 году несколько рабочих групп на CDF нашли события, выглядевшие как рождение топ-кварка (например, показанное на рис. 54), но окончательной уверенности не было. Хотя коллаборация CDF не могла с уверенностью утверждать, что они обнаружили топ-кварк, обе коллаборации D0 и CDF в 1995 году подтвердили открытие. Мой друг Дариен Вуд, работавший на D0, описывал накал страстей на заключительном заседании редакционного совета, на котором ученые подвели итоги анализа данных и представили статью с сообщением о полученных результатах. Заседание продолжалось всю ночь и следующий день, так что люди периодически дремали за своими столами.

Коллективы D0 и CDF совместно разделили честь открытия топ-кварка. Была рождена новая частица, которую никто ранее не видел. Эта частица встала в один ряд с другими частицами, установленными Стандартной моделью. Сейчас уже наблюдено так много топ-кварков, что мы очень точно знаем массу топ-кварка и другие его свойства. В будущем мы ожидаем, что коллайдеры с большей энергией будут рождать так много топ-кварков, что существует опасность, что сами топ-кварки станут фоном, препятствующим открытию других частиц.

Почти наверняка там проявится новая физика. Ниже мы узнаем, почему нерешенные проблемы Стандартной модели говорят нам, что новые частицы и физические процессы должны возникать, когда энергии коллайдеров лишь чуть-чуть превысят те, которые доступны в настоящее время. Эксперименты на Большом адронном коллайдере (БАК) будут искать свидетельства о наличия структуры за пределами Стандартной модели. Если эти эксперименты окажутся успешными, награда будет сказочной — мы добьемся лучшего понимания фундаментальной структуры всей материи. Высокие энергии, соударения многих частиц и умные идеи дадут совместный вклад в решение этой трудной задачи.

Перенесемся ненадолго из равнин Иллинойса в гористую Швейцарию, где находится ЦЕРН[108]. Предсказания Стандартной модели проверялись во многих экспериментах, но самыми впечатляющими были эксперименты, проделанные между 1989 и 2000 годами на Большом электрон-позитронном коллайдере (LEP или по-русски ЛЭП), находящемся в ускорительном центре ЦЕРНа. Место для ЦЕРНа было выбрано за его центральное положение в Европе. Главный вход в ЦЕРН находится так близко к границе Франции, что разделяющая две страны сторожевая находится стоит почти рядом с ним. Многие работники ЦЕРНа живут во Франции и дважды в день пересекают границу. При этом они редко испытывают неудобства, разве что их автомобиль не удовлетворяет швейцарским стандартам и Швейцария не разрешает им въезд в страну. Единственная другая опасность, как может подтвердить один коллега — быть рассеянным. Охрана задержала и обыскала этого профессора, когда он не остановился на границе, так как был поглощен мыслями о черных дырах.

Трудно придумать большую разницу в местоположении ЦЕРНа и Фермилаба. ЦЕРН находится по соседству с прекрасными горами Юры (рис. 55), у подножия Монблана, высочайшей горы в Европе, и от него можно быстро доехать до Шамони — замечательной долины, пролегающей между горами, покрытыми ледниками, которые спускаются практически к самой дороге (хотя все ниже и ниже из-за глобального потепления). Многие физики, которым повезло работать в ЦЕРНе, всю зиму ходят с загорелыми лицами, несмотря на постоянные облака над городом, так как у них есть возможность проводить время, катаясь на лыжах, сноубордах или ходить по горам.

ЦЕРН был основан после Второй мировой войны в атмосфере зарождающегося международного сотрудничества. Первыми двенадцатью членами организации стали Западная Германия, Бельгия, Дания, Франция, Италия, Греция, Норвегия, Великобритания, Швеция, Швейцария и Югославия (вышла в 1961 году). Затем к этим странам присоединились Австрия, Испания, Португалия, Финляндия, Польша, Венгрия, Чехословакия и Болгария. Страны-наблюдатели, участвующие в деятельности ЦЕРНа, включают Индию, Израиль, Японию, Российскую Федерацию, Турцию и США. ЦЕРН — поистине международное предприятие.

Как и за Тэватроном, за ЦЕРНом числится много достижений. В 1984 году Карло Руббиа и Симон ван дер Меер получили Нобелевскую премию за создание в ЦЕРНе уникального коллайдера и открытие слабых калибровочных бозонов — этот успех разрушил монополию США на открытия в мире элементарных частиц. Именно сотрудник ЦЕРНа англичанин Тим Бернерс-Ли выдвинул идею Всемирной паутины (WWW), HTML (Hypertext Markup Language) и http (hypertext transfer protocol). Паутина была создана так, что многие экспериментаторы из стран-участниц могли быть одновременно подключены к информации, причем данные могли быть поделены между многими компьютерами. Конечно, последствия создания паутины вышли далеко за пределы ЦЕРНа — часто трудно предвидеть практические применения научного исследования.

В ближайшие несколько лет ЦЕРН будет средоточием ряда самых волнующих физических достижений. Там вступит в строй Большой адронный коллайдер [109], на котором можно будет достичь энергии ускоренных частиц в семь раз большей текущей энергии Тэватрона. Любое открытие, сделанное на БАК, почти неизбежно будет качественно новым. В экспериментах на БАК будут искать, и, скорее всего, обнаружат неизвестную до сих пор физику, лежащую в основе Стандартной модели, которая подтвердит или опровергнет модели типа тех, которые я описываю в этой книге. Хотя коллайдер находится в Швейцарии, БАК будет поистине интернациональным проектом; в настоящее время эксперименты для БАК разрабатываются во всем мире.

Но вернемся в 1990-е годы, когда физики и инженеры смогли построить в ЦЕРНе невероятный Большой электрон-позитронный коллайдер ЛЭП (LЕР) — фабрику Z-бозонов, производившую миллионы Z. Калибровочный Z-бозон — это один из трех калибровочных бозонов, переносящих слабые взаимодействия. Изучив миллионы Z, экспериментаторы на ЛЭП (а также в Станфордском линейном ускорительном центре SLАС в Пало-Альто, Калифорния) смогли осуществить очень точные измерения свойств Z-бозона и с невероятной точностью протестировать предсказания Стандартной модели. Мы бы слишком далеко отклонились от своего пути, если бы я стала детально описывать каждое из этих измерений, но я задержусь на мгновенье, чтобы дать вам ощущение, какая поразительная точность была достигнута в этих экспериментах.

Основное допущение, лежавшее в основе проверки Стандартной модели, было очень простым. Стандартная модель предсказывает массы слабых калибровочных бозонов, а также распады и взаимодействия фундаментальных частиц. Можно проверить согласованность теории слабых взаимодействий, если убедиться, что все соотношения между этими многочисленными величинами удовлетворяют теоретическим предсказаниям. Если бы существовала новая теория с новыми частицами и новыми взаимодействиями, которые стали бы важными при энергиях вблизи масштаба слабых взаимодействий, то возникли бы новые вклады, которые могли бы привести к отклонению предсказаний теории слабых взаимодействий от их значений в рамках Стандартной модели.

Таким образом, в моделях, выходящих за рамки Стандартной модели, получаются предсказания для свойств Z-бозона, слегка отличающиеся от тех, которые даются самой Стандартной моделью. В начале 1990-х годов для предсказания проверяемых свойств Z-бозонов в этих альтернативных моделях все использовали чудовищно громоздкий метод. В этот метод было очень трудно вникнуть, а его описание занимало такое число страниц, что я еле унесла этот документ. В то время я работала ассистентом в Калифорнийском университете в Беркли. Летом 1992 года, когда я принимала участие в летнем совещании в Фермилабе, мне пришло в голову, что не может быть, чтобы связи между различными физическими величинами были столь громоздкими, как предполагалось этим многостраничным документом.

Вместе с Митчем Голденом, в то время ассистентом в Фермилабе, мы разработали более компактный способ интерпретации экспериментальных результатов в слабых взаимодействиях. Митч и я показали, как можно систематически включить эффекты новых тяжелых (до того времени не обнаруженных) частиц, добавляя в Стандартную модель всего лишь три новые величины, суммирующие все возможные вклады от моделей, отличающихся от Стандартной модели. Я провела несколько недель, пытаясь получить все это напрямую, и в конце концов интенсивная работа увенчалась успехом. Было необычайно приятно обнаружить, как можно элегантно связать все процессы, которые могут измерить Z-фабрики. Митч и я ощущали, что нам удалось разработать намного более элегантную картину связи теории и эксперимента. Все это доставляло большое удовлетворение. Однако мы не были одиноки в своем открытии. Одновременно с нами Майкл Пескин и его ассистент Такео Такеучи проделали аналогичную работу, и вскоре по нашему пути последовали другие ученые.

Но реальная история успехов относится к невероятно точным проверкам Стандартной модели на ускорителе ЛЭП. Я не буду вдаваться в детали, а расскажу две истории, которые продемонстрируют поразительную чувствительность экспериментов. Первая история касается установления точной энергии, при которой происходит соударение электронов и позитронов. Экспериментаторам необходимо было знать эту энергию, чтобы определить точное значение массы Z-бозона. Они учли все, что могло повлиять на значение этой энергии. Но даже после того как было учтено все, что только могло прийти в голову, они видели, что когда измерения проводились в определенное время, энергия частиц плавно увеличивалась и уменьшалась. Что было причиной вариаций?

Невероятно, но оказалось, что причиной были приливы в Женевском озере. Благодаря приливам и затяжным дождям в том году, уровень воды в озере то поднимался, то падал. Это, в свою очередь, оказывало влияние на окружающую местность, и в результате слегка изменяло расстояние, которое электроны и позитроны проходили в коллайдере. Как только приливный эффект был учтен, фиктивная зависимость массы Z от времени исчезла.

Вторая история также сильно впечатляет. Электроны и позитроны в коллайдере удерживаются на своих орбитах сильными магнитными полями, которые, в свою очередь, требуют большой затраты энергии. Периодически казалось, что электроны и позитроны слегка теряют регулировку, что указывало на небольшое изменение магнитных полей в коллайдере. Работник на ускорителе заметил, что эти вариации хорошо совпадают с прохождениями экспресса TGV Женева— Париж. По-видимому, возникали скачки мощности, связанные с постоянным током, которые слегка нарушали работу ускорителя. Работавший в ЦЕРНе физик из Парижа Ален Блондель рассказал мне самую забавную часть этой истории. Экспериментаторы получили реальную возможность с абсолютной достоверностью проверить эту гипотезу. Так как большинство служащих на TGV были французами, у них возникла неизбежная забастовка, так что экспериментаторы получили свободный от всплесков день!

• Самой важной экспериментальной установкой для изучения физики частиц является ускоритель частиц высокой энергии. Коллайдеры высокой энергии — это ускорители частиц, в которых частицы сталкиваются друг с другом. Если энергия частиц достаточно велика, то коллайдеры рождают частицы, которые слишком массивны для того, чтобы существовать в окружающем нас мире.

• Тэватрон — действующий в настоящее время коллайдер, сталкивающий протоны и антипротоны с суммарной энергией 2 ТэВ.

• Большой адронный коллайдер (БАК) в Швейцарии, энергия которого будет в семь раз больше энергии Тэватрона[110], будет способен проверить многие модели физики частиц.