Знание-сила, 1997 № 03 (837)

Особенности интернациональной охоты

В девятом номере нашего журнала за прошлый год появилась статья под рубрикой «Наука: на рубеже столетий Автор задался вопросом: что было в науке и чего нам от нее ждать на перекрестке веков? Часть заглавия той статьи мы решили использовать уже в качестве новой рубрики, тем более что «предчувствия», похоже, начинают оправдываться.

На всякое событие можно смотреть двояко: изнутри и снаружи. Современная наука давно стала уделом экспертов, и поэтому все научные новости видны нам — непосвященным — исключительно снаружи. Работы, отмеченные Нобелевской премией, с такой точки зрения обычно выглядят вереницей озарений и чуть ли не случайных находок. Волей-неволей начинаешь завидовать везунчикам: взял, померил, открыл, получил миллион долларов. Если же послушать самого автора открытия, то чаще всего это будет долгое перечисление мелочей, на наш взгляд, к делу не относящихся.

Со стороны видна лишь верхушка айсберга. Причем в отличие от природной ледяной горы, у научного исследования от постороннего взора скрыто не девяносто процентов объема, а девяносто девять и девять десятых. И восхищаться описанием подводных частей доступно лишь знатокам, но именно там и упрятана самое наука. Поэтому я в очередной раз постараюсь рассказать о науке «изнутри», тем более что представился на редкость удачный повод. Сотрудничество, в котором я участвую, вроде бы открыло что-то необычное. Точнее, пока нельзя сказать, что открыло, и не наверняка необычное, но идет процесс «открывания». Вот о нем-то и разговор.

От постоянных читателей журнала уже нет смысла скрывать, что в свободное от писания научно-популярных статей время я продолжаю трудиться в международном физическом центре ДЕЗИ, в Гамбурге, на ускорителе ГЕРА в составе крупного международного сотрудничества Н1 (более четырех сотен соавторов из тридцати семи научно-исследовательских институтов одиннадцати стран). Ускоритель этот необычный, можно даже сказать — уникальный: в нем сталкиваются встречные пучки электронов и протонов; нигде в мире больше ничего подобного нет. Заработал он пять лет назад.

Главная задача ускорителя и установок, действующих на нем,— исследование структуры протона. Если смотреть на результаты пятилетнего труда снаружи, то все нормально: опубликовано более пяти десятков статей в научных журналах, доклады о результатах ГЕРЫ регулярно ставят на всех научных конференциях. Но если постараться честно взглянуть изнутри, то ситуация теряет радужный ореол. Прежде всего на ускорителе не удалось достигнуть запланированной светимости, то есть частоты столкновений протонов с электронами. Нельзя сказать, что это чья-то ошибка, просто объективные трудности: никто никогда не строил ничего похожего, поэтому на деле многое оказалось чуть хуже, чем замысливали. А когда множество «чуть-чуть» сложилось, выяснилось, что количество столкновений в десять раз меньше того, что планировалось.

Это не означало провала или катастрофы, однако пришлось перекраивать исследовательские планы. Нашлось немало интересных тем для исследований и при более редких, чем хотелось бы, столкновениях. Ни в коем случае я не хочу сказать, что пять десятков публикаций высосаны из пальца — нет, это хорошие, добротные научные работы. Но... нет изюминки, сенсации, прорыва, действительно открытия. А оно ох как важно и для исследователей, и для директората.

В восьмидесятые годы я работал в ДЕЗИ на другом ускорителе, ДОРИС, в сотрудничестве АРГУС. Тогда было сделано несколько настоящих открытий, и это невероятно благотворно действовало на трудовой коллектив и производственный климат. Никого не надо было заставлять работать — все «пахали» изо всех сил, потому что ясно было видно, зачем: вот они открытия — рядом с тобой, поработай и все получится. Теперь подобного энтузиазма нет и в помине. Работают для диссертации, для поездки на конференцию, для продолжения контракта — аккуратно и старательно, но — глаза не горят. Как ни странно звучат теперь уже и в наше рыночное время столь вольные рассуждения о «горящих» глазах, я все больше прихожу к убеждению, что без этого в научном исследовании не обойтись.

У директората — свои проблемы. Когда в конце восьмидесятых АРГУС перестал удивлять мир своими открытиями, заработала ГЕРА, в которую было вложено много сил и денег. Сейчас в ДЕЗИ разрабатывается еще один уникальный план многокилометрового линейного ускорителя со встречными пучками электронов и позитронов. Если на него дадут деньги, то строительство начнется около 2002 года, а заработает он еще года через три, а может, и пять[* Подробнее см. «Заметки обозревателя» в № 5 за этот год.]. Поэтому как минимум десять лет единственным источником науки в ДЕЗИ может быть только ГЕРА. И как было бы хорошо, если бы можно было говорить: «А, ГЕРА — это там, где открыли то-то и то-то, да, это известное место». Слова о полусотне работ — слабоватый аргумент для того, чтобы гордиться и выбивать большие деньги из правительства.

В общем, открытие было позарез необходимо, и вроде бы оно и наклюнулось, но об этом чуть позже. Сейчас маленькое отступление о научной ситуации.

В каждой науке всегда есть (по крайней мере, так кажется) теория, которая описывает происходящие события. В физике элементарных частиц она называется Стандартной моделью. Суть ее в том, что в основе строения материи лежат всего лишь шесть кварков, взаимодействующих между собой «сильно» при помощи глюонов, и шесть лептонов, взаимодействующих «слабо». «Слабое» и «сильное» — это названия физических взаимодействий, которые вместе с электромагнитным и гравитационным и составляют известную на сегодня «великолепную четверку», правящую микромиром. Стандартная модель начала формироваться в шестидесятые годы, утвердилась в семидесятые и восьмидесятые, и теперь уже стоит вопрос о ее проверке. Если найдется нечто, чего она не описывает и не может объяснить, то это будет означать ни много ни мало, а необходимость следующего шага в глубь материи.

Основным возмутителем спокойствия последних лет было нейтрино. В соответствии со Стандартной моделью масса этой частицы должна быть строго нулевой. Копятся свидетельства и намеки на то, что она не нулевая. Но все это пока гипотезы, и Стандартная модель чувствует себя прекрасно. На последней Главной (Рочестерской) конференции по физике высоких энергий, проходившей в Варшаве летом 1996 года, в итоговом докладе было специально подчеркнуто, что у нее нет никаких разногласий с экспериментом. Даже результат сотрудничества CDF на американском ускорителе в лаборатории имени Ферми[* См. статью «Третья охота» // «Знание — сила», 1996.— №11.] — намеки на структуру у кварков, что противоречит Стандартной модели,— пока не развивается, а скорее как-то так рассасывается. В общем, полное торжество теории.

Сотрудничество Н1 занимается исследованием различных тонкостей этой самой теории. Один из важных моментов — глубоко неупругие взаимодействия. Говоря обычным языком, отражение электрона от протона под большими углами. Чем глубже в протон проникает электрон, тем больше он отклоняется. Теория предсказывает, что больших отклонений должно быть мало, обратно пропорционально углу. Вот это и проверялось. Если бы столкновений было побольше, то могли встретиться и совсем большие углы, но статистики, как уже говорилось, к сожалению, не хватало.

И вот теперь вернемся к теме открытия. Работа прдолжалась, и на регулярной встрече сотрудничества Н1 19 декабря прошлого года был сделан очередной десеток докладов о том, как идут исследования по разным направлениям, в том числе и по глубоко неупругим взаимодействиям. За 1996 год на ускорителе была набрана новая статистика, и надо было посмотреть, что там и как. Один из докладов делал молодой аспирант — из тех, кто обычно выполняет основную массу тяжелой научной работы и изредка удостаивается высокой чести доложить о том, что им же и сделано. Докладчик долго и занудно повествовал, как много им наработано, и «на десерт» показал картинку, где все экспериментальные точки ложились на теоретическую кривую, и лишь в самом конце — при очень больших углах — было несколько точек НАД этой кривой.

Честно говоря, сенсации это не вызвало. Дело в том, что событий было очень мало — всего семь или восемь. Это могла быть ошибка, случайность, неправильное срабатывание прибора — никто никогда не изучал с точностью до единиц, сколько может там быть случайных срабатываний. В графике были десятки тысяч событий, правда, при меньших углах, да и вся работа была нацелена на проверку согласия со Стандартной моделью. Ведь не строят же дома и дороги с миллиметровой точностью, так и здесь. Если бы событий над .кривой было тридцать — сорок, то это заметили бы без сомнения. А так — может быть, помните мои рассуждения о статистике и флуктуациях,— семь событий еще не дотягивают до рубежа, после которого намек становится признанным результатом.

Но наш «споуксмен» — руководитель сотрудничества — среагировал. Наверное, в этом и состоит задача научного начальника: не пропустить важное. Он в тот же день отправился к директору ДЕЗИ по науке, чтобы сообщить, что мы видим намек на нечто НЕОБЫЧНОЕ. Ну, и как следовало ожидать по закону уже литературного жанра, оказалось, что в тот же день к директору заходил «споуксмен» сотрудничества ЗЕВС — второй установки, работающей на ускорителе . ГЕРА, и показал что-то похожее на наш результат.

Далее действительно начинается детектив. До появления статьи в научном журнале по всем традициям большого сотрудничества не принято говорить о результатах, а тем более о таких. Поэтому директор сказал каждому «споуксмену» только о визите другого, но ни словом не обмолвился о содержании разговоров. Известно лишь, что оба сотрудничества изучают рассеяние электронов на большие углы. Было принято решение как можно быстрее закончить анализ, подготовить публикации, встретиться еще раз в кабинете директора и объединить усилия. Дело в том, что семь наших событий — это маловато для открытия, но если у ЗЕВСа есть еще штук семь — восемь, то получается полтора десятка, а это уже серьезное дело.

Хоть и непривычно звучит, но после открытия обычно и начинается самый трудоемкий этап работы: надо убедиться, что не произошло ошибки. Особенно это трудно, когда речь идет о единицах событий. Представьте, что ваш прибор ошибается раз в месяц. Если вы строите график, где показана гистограмма с десятком тысяч событий, то на такую «ошибаемость» можно закрыть глаза — она никак не повлияет на поведение кривых. У нас же был принципиально иной случай. Перепроверяется все: как работали части детектора, нет ли недочетов в программах обработки — это кропотливый и изнурительный труд, который совершенно не интересен для описания, но именно он и служит той самой подводной частью айсберга-открытия.

Во всяком случае, двум десяткам физиков пришлось забыть про радостные минуты Рождества и Нового года и поработать в режиме «горящих глаз», обрамлявшихся затем темными кругами от недосыпания. Все проверки показали, что найденные восемь событий никак не могут быть ошибкой — это сигнал. А чтобы оценить масштаб работ на бьгговом уровне, представьте себе выравнивание километра дороги до... ну, пусть не миллиметрового, но, по крайней мере, сантиметрового уровня.

Кроме чисто научных усилий, был разработан специальный меморандум о том, что ни та, ни другая группа не будут публиковать результат до пресловутой встречи в директорате. В истории науки есть немало печальных историй, как две группы на одном и том же ускорителе видят намек на открытие, встречаются, обмениваются данными, договариваются работать рука об руку, после чего одна из них быстренько публикует статью о том, что именно она увидела сигнал первой, и ее начальник спокойно получает Нобелевскую премию. Ходят слухи, что именно так все и происходило при открытии промежуточных бозонов в Европейском центре ядерных исследований: результат был у двух групп, а премию получил один человек. Когда речь идет об открытиях на самом переднем крае, приходится работать на грани уверенности — находка или ошибка. И подтверждения, что кто-то видит нечто подобное, достаточно для того, чтобы публиковать собственные результаты с гораздо большей уверенностью. Кстати, при открытии шестого кварка была подобная ситуация: одна группа видела сигнал, другая — нет. Но там джентльменское соглашение соблюдалось строго, и первооткрыватели терпеливо ждали, пока коллеги закончат анализ, и лишь с их согласия опубликовали статью о находке.

Все это я пишу в середине января 1997 года. Встреча у директора должна была состояться 12 января, но по просьбе ЗЕВСа ее перенесли на десять дней — что-то им потребовалось уточнить. Это понятно: как ни жарок результат, но его надо перепроверить не семь, а семьдесят семь раз. Ошибка не забудется и прилипнет навеки, поэтому идут столь тщательные проверки. Как ни держится результат в тайне, но приятели (лично у меня) есть везде, и за чашкой кофе я под большим секретом рассказал им, что есть у нас, а они поведали мне, что ЗЕВС видит пять событий, очень похожих на наши восемь. Пока все говорит: ЧТО-ТО есть. А что же это может быть?

Главное — факт, что есть отклонения от Стандартной модели. На больших углах рассеяния она перестает описывать экспериментальные данные, и надо задумываться о возможностях расширения модели или об ее альтернативах. До сих пор, пока все идеально сходилось, о «нестандартных» моделях размышляли лишь любители экзотики. Если же будет четкое указание на несоответствие, об этом будут думать все. Одна из сегодняшних гипотез — «лептокварки».

В Стандартной модели лептоны и кварки представляют два дружественных, но не смешивающихся семейства. Кварки взаимодействуют с кварками и образуют элементарные частицы, а лептоны возникают при распадах частиц. Лептон не может склеиваться с кварком. Но есть предположение, что при очень больших энергиях подобное слияние возможно и возникает новая тяжелая частица — «лептокварк», которая быстро распадается на лептон и быстрый кварк. Этот последний не может существовать в свободном состоянии, и мы увидим его след в виде струи энергичных частиц. После того как «лептокварк» рождается, ему абсолютно все равно, в какую сторону распадаться, то есть испускать лептон (электрон в нашем случае). Именно поэтому и появляются вышеупомянутые события с большими углами рассеяния; это вовсе не рассеянный электрон, а тот, что возник после распада «лепто кварка». Подобные электроны от распада есть и под малыми углами, но там их не отличить от тысяч просто рассеянных электронов, а под самыми большими углами рассеянных быть не должно, поэтому мы и видим всего лишь семь — восемь событий, не описываемых Стандартной моделью. В пользу этой гипотезы говорит то, что у всех семи событий масса предполагаемой частицы лежит в «нужном» районе — 200 ГэВ.

Гипотеза «лептокварков» предполагает наличие новых частиц и новых взаимодействий. Появляется перспектива нового «зоопарка частиц». Может быть, удастся описать отклонение от Стандартной модели более умеренным образом — пока не знаю. Но ускоритель ГЕРА оказывается уникальным местом для исследования этого «зоопарка»: только здесь непосредственно сталкиваются электрон с протоном, то бишь с кварками, из которых протон состоит. Таким образом, сам факт постройки подобного ускорителя становится примером гениального предвидения руководства. Одним махом «убивается несколько зайцев»; открывается новая страница в исследовании микромира, возрождается потухший энтузиазм в исследованиях на ГЕРЕ, оправдываются затраченные сотни миллионов и премируется начальство. Но...

Пока еще ничего не решено. Вот как решится, я постараюсь, чтобы вы узнали о том, что происходит, первыми. А статья полежит в столе.

Р. S. Прошло еще две недели, наступил февраль, но ситуация не прояснилась: наша работа готова к выпуску, а ЗЕВС по-прежнему занят проверкой. За это время произошло несколько событий ненаучного плана. Директор ДЕЗИ распространил свое обращение к членам обеих групп: «Несмотря на мои настоятельные просьбы хранить молчание, слухи расползаются но всему миру. Вчера мне звонили из ВВС (английская радиокомпания. — А. С.) и долго допытывались, что же у нас все-таки открыто. Очень прошу всех держать язык за зубами, потому что распространение преждевременных слухов может нанести всем нам огромный вред!» А 30 января появилось краткое сообщение в компьютерной сети «Интернет» о том, что физики из ДЕЗИ обнаружили на своем ускорителе отклонение от Стандартной модели, но подробности открытия держат в секрете. Тут уж я не выдержал и решил не тянуть, а отправлять статью в журнал. Что и сделал.

4 февраля 1997 года, 20 часов

Мы не будем спешить с оценками этого, быть может, крайне важного научного события. Тем более торопиться с поздравлениями. Скажем лишь, что предчувствие происходящих на переднем крае науки перемен, о котором (и именно в Стандартной модели!) шла речь на страницах журнала, нас не обмануло. И дело даже не в том, подтвердится ли (на что мы, конечно же, надеемся) описываемое открытие, или еще придется подождать. Важно то, что наука вовсе не напоминает пациента, который «скорее жив, чем мертв», а продолжает удивлять нас результатами и радовать атмосферой ее «звездных лет». Отрадно и то, что к этому приложили свои головы и руки наши соотечественники.

Николай Кренке Александр Колызин