Мы узнаем об истории странного увлечения – сталкивать частицы друг с другом при все более высоких энергиях.
Когда мне было десять лет, в нашей местной библиотеке в Нижнем Баксе, штат Пенсильвания, я наткнулся на научный отдел, и чтение собранных там книг стало моим любимым занятием. Особенно мне нравились книги по астрономии и физике. Одной из книг, которую я штудировал с особой тщательностью, был скромный том под названием «Физика высоких энергий», написанный Хэлом Хеллманом. Я начал изучать эту книгу в конце 1970-х, а написана она была в 1968-м, то есть до того, как была сформулирована Стандартная модель, когда «кварки» еще были экзотическими и страшноватыми теоретическими моделями. Но адроны – частицы, которые, как мы теперь знаем, состоят из кварков и глюонов, – уже были обнаружены: в журнале High Energy Physics было полно четких фотографий треков этих частиц, и в каждой угадывался мимолетный проблеск тайны природы.
Многие из этих фотографий были сделаны на громадном Беватроне – одном из главных ускорителей частиц, работавшем в 1950-1960-е годы. Беватрон был построен в Беркли, в штате Калифорния, но его название произошло не от Беркли, а от слов Billion Electron Volt (биллион, или по-русски миллиард, электронвольт), то есть максимальной энергии, которой удалось добиться на этом ускорителе. (Позже мы расскажем, что электронвольт (эВ) является непонятной, но очень популярной в физике элементарных частиц единицей энергии. Одному миллиарду электронвольт соответствует приставка гига-, то есть один миллиард электронвольт – один ГэВ, а не БэВ, но в то время американцы чаще использовали это обозначение, и к тому же название «Геватрон» казалось им не очень благозвучным. Остановились на названии «Беватрон».)
Беватрон поучаствовал в двух нобелевских открытиях: в 1959 году премию получили Эмилио Сегре и Оуэн Чемберлен за обнаружение антипротона, а в 1968 году – Луис Альварес за открытие огромного числа новых частиц, которые и сосчитать-то трудно – всех этих ужасных адронов. Некоторое время спустя тот же Альварес и его сын Уолтер, обнаружив аномально высокие концентрации иридия в геологических пластах, образовавшихся в период исчезновения динозавров, первыми доказали, что наиболее вероятная причина этого феномена – столкновение Земли с астероидом.
Идея ускорителей частиц проста: нужно взять некоторое количество частиц, ускорить их до очень высоких скоростей, столкнуть с некоторыми другими частицами и внимательно наблюдать, что получится. Все это похоже на то, как если бы вы шарахнули роскошными швейцарскими часами по другим, не менее роскошным швейцарским часам и, исследуя разлетевшиеся в разные стороны осколки, попытались бы понять, из чего часы были сделаны. К сожалению, аналогия не полная. Когда мы сталкиваем частицы, мы не пытаемся узнать, из чего они сделаны, а надеемся получить совершенно новые частицы, которых не было до столкновения. Продолжив аналогию с часами, можно сказать, что, идея ускорителя состоит в том, что, ударив одними часами Timex по другим таким же, вы надеетесь, что из их осколков соберутся часы Rolex.
Для достижения огромных скоростей в ускорителях используется основное свойство заряженных частиц (например, электронов и протонов): с помощью электрических и магнитных полей их можно ускорить и заставить вращаться. На практике мы используем электрические поля для ускорения частицы до все более высоких скоростей, а магнитные поля – чтобы удерживать их на нужных траекториях, например внутри образующих кольца труб Беватрона или БАКа. С помощью тонкой настройки этих полей, толкающих частицы вперед и удерживающих на нужных траекториях, физики могут искусственно создать такие условия, которые в естественных условиях на Земле не встречаются. (Космические лучи могут обладать даже большей энергией, но такие частицы долетают до нас редко, и их трудно наблюдать.)
Влияние магнитного поля на движение частиц.
Если магнитное поле направлено вверх, оно закручивает положительно заряженные частицы против часовой стрелки, а отрицательно заряженные частицы – по часовой стрелке.
На нейтральные частицы оно вообще не действует.
Неподвижные частицы тоже остаются в покое.
Технологическая задача ясна: ускорить частицы до максимально возможной энергии, столкнуть их друг с другом и посмотреть, какие новые частицы при этом образуются. Каждый из этих этапов труден. БАК представляет собой кульминацию усилий, длившихся не одно десятилетие, в течение которых человечество училось строить все большие и лучшие ускорители.
E = mc²
Когда на Беватроне получили антипротоны, это случилось не потому, что антипротоны прятались в протонах или в соответствующих атомных ядрах, а их оттуда выбили. Наоборот, новые частицы родились именно в результате столкновений. На языке квантовой теории поля говорят так: волны, представляющее исходные частицы, возбудили новые колебания в антипротонном поле, которые мы как раз и считаем частицами-антипротонами.
Для того чтобы это произошло, должно хватить энергии, и это – важнейшее условие. На самом деле физика элементарных частиц началась после появления знаменитого уравнения Эйнштейна E = тc², из которого стало ясно, что масса – это просто другая форма существования энергии. В частности, масса объекта – эта та минимальная энергия, которую объект может иметь. Когда кто-то просто сидит совершенно неподвижно, погруженный в свои мысли, количество энергии, которым он обладает, равно его массе, умноженной на квадрат скорости света. Скорость света с – довольно большое число, она равна 300 000 километров в секунду и здесь просто играет роль коэффициента при преобразовании единиц измерений массы в единицы энергии. В физике элементарных частиц любят использовать единицы, где скорость измеряется в количестве световых лет, пройденных за год, и в этом случае скорость света с равна единице, а масса и энергия просто становятся одной и той же величиной: E = т.
А когда объект движется? Иногда в дискуссиях о теории относительности говорят, что масса частицы растет при приближении ее скорости к скорости света, но это немного всех запутывает. Лучше считать массу объекта установленной раз и навсегда, а именно – энергией, которую тело имело бы, если бы не двигалось, а энергию – увеличивающейся по мере роста его скорости. При приближении скорости тела к скорости света с его энергия стремится к бесконечности. Это один из способов понять, почему скорость света является абсолютным пределом скорости, с которой тела могут двигаться, – ведь массивному телу для движения с такой скоростью требуется бесконечное количество энергии. (Безмассовые частицы, напротив, всегда движутся в точности со скоростью света.) Когда ускоритель частиц разгоняет протоны до все больших энергий, их скорость все больше приближается к скорости света, никогда ее не достигая.
Используя магию этого простого уравнения, E = те², физики получают тяжелые частицы из более легких. При столкновениях сохраняется общая энергия, но не общая масса. Масса – это лишь одна из форм энергии, а энергия может быть преобразована из одной формы в другую при условии, что полная энергия остается постоянной. Когда два протона встречаются на больших скоростях, они превратятся в более тяжелые частицы, если их суммарная энергия достаточно велика. Мы даже можем столкнуть совершенно безмассовые частицы и создать из них массивные; два столкнувшихся фотона могут породить электрон-позитронную пару, а два безмассовых глюона, встретившись, породить бозон Хиггса, если только их совокупная энергия больше массы бозона. Бозон Хиггса более чем в сотню раз тяжелее протона, и это – одна из причин того, почему его так трудно получить.
Шкала энергий в электронвольтах. Некоторые значения – приблизительные. В физике элементарных частиц температуру, массу и энергию измеряют в одних и тех же единицах – электронвольтах. Используются также миллиэлектронвольт (1/1000 эВ), кэВ (1000 эВ), МэВ (миллион эВ), ГэВ (миллиард эВ) и ТэВ (триллион эВ).
Физикам, занимающимся элементарными частицами, нравится использовать единицы измерения, в которых посторонние не видят никакого смысла, еще и потому, что это создает ауру таинственности вокруг их деятельности. Кроме того, было бы страшно неудобно использовать одни единицы для массы, а другие – для других видов энергии, так как они постоянно преобразуются друг в друга. Вместо этого всякий раз, когда мы имеем дело с массой, мы просто сразу умножаем ее величину на квадрат скорости света, чтобы превратить в энергию. Таким образом, мы можем измерять все в единицах энергии, что гораздо удобнее.
Излюбленная единица энергии для физиков, работающих с элементарными частицами, – электронвольт, эВ. Один эВ – это количество энергии, которое потребуется для перемещения одного электрона в электростатическом поле между точками с разностью потенциалов в один вольт. Другими словами, требуется девять электронвольт энергии для перемещения электрона с положительного на отрицательный электрод девятивольтового аккумулятора.
Один электронвольт – совсем маленькая энергия. Энергия одного фотона видимого света составляет около двух электронвольт, в то время как кинетическая энергия летящего комара – около триллиона эВ. Количество энергии, которое можно получить, сжигая галлон (примерно 4,5 литра) бензина – больше 1027 эВ, а количество питательной энергии в бигмаке (700 калорий) составляет около 1025 эВ. Таким образом, один эВ – действительно небольшая энергия.
Поскольку масса является формой энергии, физики и массы элементарных частиц измеряют в электронвольтах. Массы протона или нейтрона равны почти миллиарду электронвольт, в то время как масса электрона – полмиллиона эВ. Масса бозона Хиггса, как показало его открытие на БАКе, равна 125 миллиардов эВ. Поскольку один эВ так мал, мы часто используем более удобную единицу – ГэВ, гигаэлектронвольт (один миллиард эВ). Можно также встретить обозначение кэВ для килоэлектронвольт (одна тысяча эВ), МэВ для мегаэлектронвольт (один миллион эВ) и ТэВ для тераэлектронвольт (один триллион эВ). В 2012 году на БАКе столкнулись протоны с суммарной энергией 8 ТэВ, а планируемый максимум энергий для этого ускорителя составляет 14 ТэВ. Это более чем достаточная энергия для того, чтобы родились бозоны Хиггса и другие экзотические частицы, проблема лишь в том, как их обнаружить, когда они появятся.
Можно даже температуру выражать в эВ, поскольку температура – всего лишь средняя энергия молекул в веществе. В таких единицах комнатная температура равна двум сотым электронвольта, а в центре Солнца – около 1 кэВ. Когда температура становится выше массы некоторой частицы, энергия при столкновениях достаточна для создания этой частицы. Даже в центре Солнца, где довольно жарко, температура не столь высока, чтобы рождались электроны (0,5 МэВ), а тем более протоны или нейтроны (массы обоих примерно равны 1 ГэВ), зато в момент Большого взрыва температура была огромной, и этой проблемы не возникало.
Если природа захочет спрятать от нас частицу, самый простой способ – сделать ее такой тяжелой, чтобы мы не смогли произвести ее в лаборатории. Вот почему при строительстве ускорителей всегда преследовалась одна и та же цель – добиваться все более высоких энергий, и вот почему эти установки получают имена вроде Беватрона и Теватрона. Достичь беспрецедентно высоких энергий – все равно что попасть в место, где никто до этого никогда не был.
Европа вырывается вперед
Официальное название ЦЕРНа (CERN) – женевской лаборатории, в чьем ведении находится БАК, – Европейская организация по ядерным исследованиям, или по-французски: Organisation Europeenne Pour La Recherche Nucleaire. Вы можете заметить, что сокращение не соответствует нынешнему названию (то же самое и с английским названием). Это потому, что нынешняя «Организация» является прямым потомком Европейского Совета по ядерным исследованиям – Conseil Europeen Pour La Recherche Nucleaire, от которого и произошло название, но все согласились на том, что нужно оставить старую аббревиатуру даже после того, как полное название было официально изменено. Никто не настаивал на изменении аббревиатуры на неблагозвучное «ОЕРН».
Совет был создан в 1954 году группой из двенадцати стран, стремившихся оживить физические исследования в послевоенной Европе. С тех пор ЦЕРН превратился в форпост физики элементарных частиц и ядерной физики и стал интеллектуальным центром европейской науки. Женева – второй по величине город в Швейцарии, мировой финансовый и дипломатический центр, славящийся издавна своим часовым производством. Теперь и ЦЕРН стал достопримечательностью Женевы, и каждый из шестнадцати пассажиров в женевском аэропорту так или иначе связан с ЦЕРНом. Когда вы летите в Женеву, наверняка в вашем самолете сидит пара церновских физиков.
История ЦЕРНа, как и истории большинства других крупных лабораторий, где ведутся исследования элементарных частиц, – это история строительства все больших и совершенных ускорителей, развивающих все более высокие энергии. В 1957 году был запущен Синхроциклотрон, который ускорял протоны до энергии 0,6 ГэВ, а в 1959-м состоялась инаугурация Протонного синхротрона, который развивал энергию 28 ГэВ. Он функционирует и сегодня, но уже в качестве предускорителя, обеспечивая пучками другие ускорители (в том числе БАК), где частицы разгоняются до еще больших скоростей.
Важный шаг вперед был сделан в 1971 году, когда был построен первый адронный коллайдер (Intersecting Storage Rings – Пересекающиеся накопительные кольца, ISR), в котором предельная полная энергия доходила до 62 ГэВ. ISR был одновременно и протонным коллайдером, и ускорителем. В предыдущих установках протоны ускорялись и направлялись на неподвижные материальные мишени, куда частицам относительно легко попасть. В ISR сталкивались пучки, двигавшиеся в противоположных направлениях (встречные пучки). Эта задача гораздо сложнее в технологическом смысле, но, решив ее, можно достичь более высоких энергий, так как тут вся энергия до последней капельки идет на создание новых частиц. (При работе с неподвижной мишенью вследствие закона сохранения импульса большая часть энергии пучка тратится на «отдачу» мишени.) Идея построения коллайдера частиц была впервые выдвинута в 1950 году Джерардом О’Ниллом – американским физиком, больше прославившимся своим проектом создания среды обитания человека в космическом пространстве. А в 1960-х годах небольшие электрон-позитронные коллайдеры были сконструированы и построены во Фраскати, в Италии австрийским физиком Бруно Тушеком.
Длина коллайдера ISR составляла примерно 1,2 километра. Это была большая машина, но в будущем предстояло построить еще большие. В 1976 году был открыт Протонный суперсинхротрон (SPS) длиной около 6,9 километров, его энергия достигала 300 ГэВ. Всего лишь несколько лет спустя, приняв смелое решение, ЦЕРН модернизировал SPS. Если первоначально там ускорялись протоны, в новой конфигурации должны были сталкиваться протоны с антипротонами. Антипротоны трудно получить, и с ними трудно работать. Они – не то что протоны, которых полно вокруг. Сперва нужно создать антипротоны в столкновениях при более низких энергиях, а затем аккуратнейшим образом собрать их, ни в коем случае не допуская случайных встреч с протонами, иначе частицы аннигилируют, испустив свет. Но если с этим справиться, то возникает огромное преимущество: протоны и антипротоны имеют противоположные заряды, и следовательно, одним и тем же магнитным полем их можно направлять по одинаковым круговым траекториям, но в противоположных направлениях. (В БАКе сталкиваются протоны с протонами, и следовательно, нужно использовать две отдельные трубы для пучков, несущихся в противоположных направлениях.) Итальянский физик Карло Руббиа в 1983 году на модернизированном синхротроне SPS открыл переносчики слабого ядерного взаимодействия W– и Z-бозоны, получив за это в 1984 году Нобелевскую премию.
SPS по-прежнему на ходу и напряженно работает. Благодаря модернизации теперь он ускоряет протоны до 450 ГэВ. Пучки из него поступают в БАК, который разгоняет их до еще более высоких энергий. Физики элементарных частиц очень любят «апгрейдить» старые машины.
В 1989 году ЦЕРН открыл свой следующий большой проект: запустил Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP). Для этого на швейцарско-французской границе на глубине 100 метров проложили новый тоннель, на этот раз с длиной окружности 27 километров. Эти цифры должны вам что-то напомнить, и действительно, туннель, построенный для LEPа, – тот же самый туннель, в котором сейчас помещается БАК. После успешной десятилетней работы в 2000 году LEP был отключен, а вся техника демонтирована – нужно было освободить место для БАКа.
Большой электрон-позитронный коллайдер
Протоны – адроны, то есть сильно взаимодействующие частицы. Когда вы сталкиваете два протона друг с другом (или протон и антипротон), предсказать результат не очень просто. На самом деле там происходит следующее: один из кварков или глюонов первого адрона налетает на кварк или глюон второго адрона, но проблема в том, что вы не знаете точного значения начальной энергии ни одной из частиц, поэтому непонятно, с чего начать анализ. У машины, в которой сталкиваются электроны и позитроны, совсем другое назначение: она построена в первую очередь для точных измерений, а не в качестве инструмента грубой силы. Когда электрон и позитрон сталкиваются, как это происходит в LEPе, вы точно знаете, что происходит, а такие инструменты лучше подходят для тонких измерений свойств известных частиц, чем для открытия новых. Если воспользоваться аналогией с игрой «Где же Уолдо?», то в экспериментах на адронном коллайдере ваш взгляд как бы беспорядочно блуждает по всей картине в поисках забавной полосатой шапочки, а эксперименты на электрон-позитронном коллайдере похожи на нанесение мелкой сетки на рисунок и кропотливого изучения всех лиц, одного за другим.
LEP был настолько точным прибором, что с его помощью оказалось даже возможным обнаружить влияние Луны, или, по крайней мере, приливов, которые она вызывает. Каждый день гравитационное поле Луны притягивает Землю, а в ЦЕРНе эти крошечные деформации Земли каждый день вызывают растяжение и сжатие общей длины туннеля LEPа примерно на миллиметр. В масштабах двадцатисемикилометровой пучковой трубы не так уж много – но этого достаточно, чтобы вызвать крошечные колебания энергии электронов и позитронов. И такой высокоточный инструмент, как LEP, их быстро уловил. После первых недоумений по поводу странных суточных колебаний энергии частиц физики ЦЕРНа быстро разобрались в том, что происходит. (Кстати, такой способ обнаружения Луны ничем не отличается от того метода, которым астрофизики доказывают существование темной материи во Вселенной, а именно – по наличию ее гравитационного воздействия.) А еще LEP зарегистрировал всплески токов утечки, возникавшие в момент отправления высокоскоростных поездов TGV от вокзала Женевы и заметно менявшие режим работы тонко настроенной машины.
Но LEP был сконструирован не для того, чтобы физики с его помощью определяли воздействие Луны на Землю или время отправления поездов. Они хотели найти бозон Хиггса. И в какой-то момент им показалось, что они нашли его.
После десятилетия очень успешной работы, в ходе которой были проведено множество прецизионных измерений свойств частиц Стандартной модели (хотя новых частиц обнаружено не было), в сентябре 2000 года планировалось LEP остановить и демонтировать, чтобы освободить место для БАКа. Зная, что их машине осталось жить всего несколько месяцев, инженеры и техники решили пойти ва-банк и, используя все возможные резервы и ухищрения, выжали из нее энергию 209 ГэВ. Такую большую энергию на этом ускорители никогда раньше даже и не мечтали получить. Команда LEP рассудила так: если коллайдер сломается – ну так что ж, он все равно уже был «сбитым летчиком».
Когда пучки частиц разогнали до этих невиданных энергий, ученые из группы детектора ALEPH во главе с Сау Лан Ву – профессором Университета Висконсин-Мэдисон – заметила несколько событий, выделявшихся на фоне остальных. Появилось всего несколько слабых намеков, но именно таких сигналов следовало бы ожидать, если бы бозон Хиггса скрывался в области масс вокруг 115 ГэВ – прямо на краю того диапазона энергий, где LEP мог отслеживать события. Профессору Ву принадлежит несколько важных научных результатов, в частности она в составе группы ученых получила премию Европейского физического общества за эксперимент 1979 года, который помог установить существование глюонов. И вот теперь она как будто взяла след бозона Хиггса и не намерена была упустить возможность его поймать.
Обычно несколько многообещающих событий в детекторе частиц – еще не причина для радости, даже если они выглядят в точности как Святой Грааль, за которым вы и ваши коллеги охотились годами. В физике элементарных частиц очень важна статистика: почти все события, которые видны в детекторе, могут произойти множеством способов, и весь фокус в том, как отличить процесс, идущий без новой частицы, от процесса, который наблюдается при ее появлении. Так что если несколько событий намекают на что-то интересное, нужно просто собрать больше данных. Сигнал либо усилится, либо исчезнет.
Но как собрать больше данных, если ЦЕРН собирается выключить ускоритель? И тогда Ву и другие физики обратились к Лучано Майани – он в то время был генеральным директором ЦЕРНа – с просьбой продлить работу LEPа для сбора большего количества данных. Все понимали важность возможного открытия и то, какое сожаление все испытают, если машину остановят как раз тогда, когда появилась надежда найти бозон Хиггса. Не часто удается первыми увидеть элементарную частицу, особенно ту, которая играет ключевую роль в физике. Как с пафосом сказал Патрик Жано, «мы вписываем новую строку в историю человечества». Кроме всего прочего, в ЦЕРНе знали, что их конкуренты из Фермилаба, исследовательского центра, расположенного в пригороде Чикаго, также нацелились на поиски бозона Хиггса на своем ускорителе – Теватроне. И ученые ЦЕРНа боялись, что американцы найдут Хиггса раньше, чем БАК начнет работать, поскольку область энергий порядка 115 ГэВ была вполне доступной для Теватрона. Физика элементарных частиц, конечно, немыслима без международного сотрудничества, но это не значит, что в душе каждого ученого не горит огонь соперничества.
Майани, оценив все, что было поставлено на карту, выбрал компромисс: LEP будет все-таки закрыт, но только после того, как проработает еще один месяц, – до октября 2000 года. Охотники на бозон Хиггса поворчали немного и бросились собирать дополнительные данные в поисках событий, подтверждающих участие бозона Хиггса. И они нашли их – правда, всего несколько, но зато не только на детекторе ALEPH, где работала команда Ву, но на четырех других детекторах LEPа. Но собрали они и множество «фоновых» событий, которые вообще ничем не намекали на присутствие бозона Хиггса.
Когда дополнительное время, отведенное LEPу для работы, подошло к концу, общая статистическая значимость предполагаемого появления бозона Хиггса даже уменьшилась. Сигнал потерялся за фоновыми событиями. Можно было разрешить LEP и дальше работать, но это привело бы к серьезным задержкам в графике строительства БАКа, что означало бы увеличение расходов и перенос на более позднюю дату запуск долгожданного Большого коллайдера. Как бы заманчиво это ни было – в последний момент схватить за хвост жар-птицу, но настало время LEPу уйти на пенсию и передать эстафетную палочку другим ускорителям.
Американские лаборатории: SLAC, Брукхейвен, Фермилаб
Кроме ЦЕРНа, успешно объединившего усилия многих стран Европы (а в последнее время и мира) для создания ведущей физической лаборатории, очень много сделали для понимания природы частиц и сил и другие научные лаборатории. В частности, значительный вклад в «сборку» Стандартной модели внесли три американские лаборатории: Национальная ускорительная лаборатория SLAC (Стэнфордская национальная ускорительная лаборатория) при Стэнфордском университете в Калифорнии, Брукхейвенская лаборатория на Лонг-Айленде и Фермилаб в окрестностях Чикаго.
SLAC первоначально было аббревиатурой полного названия «Stanford Linear Accelerator Center» – Стэнфордского центра линейного ускорителя, но в 2008 году министерство энергетики США официально переименовало его в «Центр линейного ускорителя SLAC» по-видимому, потому, что кто-то из начальников был любителем рекурсий. (Более правдоподобная версия состоит в том, что Стэнфордский университет не хотел, чтобы министерство энергетики использовало в товарном знаке аббревиатуру, содержащую имя университета).
Основанный в 1962 году, SLAC – уникальное место для физиков элементарных частиц, поскольку там сконструирован линейный ускоритель высоких энергий – частицы летят в нем не по кольцу, а по прямой. Здание, в котором находится ускоритель, имеет в длину 3.2 километра – это самое длинное сооружение в США и третье по длине в мире. (Первое место занимает Великая китайская стена, а второе – Форт Рэникот в Пакистане – военная крепость XVII века.) Изначально в этом ускорителе разгонялись электроны, которые потом врезались в неподвижные мишени. В 1980-х годах ускоритель подвергся модернизации, после чего там стали сталкивать электроны с позитронами, а еще позже в лаборатории появился и кольцевой ускоритель, а линейный используют в качестве первой ступени.
SLAC сыграл ключевую роль в открытии нескольких частиц, в том числе очарованного кварка и тау-лептона, но, несомненно, его основной вклад состоял в том, что с его помощью было показано, что сама идея «кварков» – правильная. За это открытие в 1990 году была присуждена Нобелевская премия Джерому Фридману и Генри Кендаллу из Массачусетского технологического института (MIT) и Ричарду Тейлору из лаборатории SLAC, которые в 1970-х годах использовали пучок электронов, ускоренный на SLACе, для изучения внутренней структуры протонов. Команда SLAC – MIT тогда показала, что низкоэнергетические электроны проходят прямо сквозь протоны, не особо отклоняясь, в то время как электроны с высокой энергий (которым, как логично было бы предположить, еще легче пройти сквозь протоны), чаще всего отклонялись под странными углами. Как известно, частицам с более высокими энергиями соответствуют колебания с меньшей длиной волны, поэтому они более чувствительны к тому, что происходит на очень малых масштабах. Те препятствия, на которые натыкались высокоэнергетичные электроны, оказались очень маленькими частицами, живущими внутри протонов. Это явилось первым доказательством существования хорошо знакомых нам сейчас кварков.
Брукхейвенская национальная лаборатория была основана в 1947 году. За работы, сделанные в Брукхейвене, получены семь различных Нобелевских премий: пять по физике и две по химии. В частности, мюонное нейтрино, за открытие которого Ледерман, Шварц и Штейнбергер получили одну на троих Нобелевскую премию, было обнаружено в Брукхейвене. В настоящее время основной вклад в исследование элементарных частиц вносит расположенный там релятивистский коллайдер тяжелых ионов (RHIC) – кольцо длиной почти 4 километра, где сталкиваются друг с другом тяжелые ядра, и в результате образуется своего рода кварк-глюонная плазма типа той, что существовала вскоре после Большого взрыва. Составители Книги рекордов Гиннеса зарегистрировали достигнутый на RHIC температурный рекорд – там была получена наивысшая из всех когда-либо полученных в искусственных условиях температура – более семи миллионов градусов по Фаренгейту (примерно 4 миллиона градусов Цельсия), что в 250 000 раз выше, чем температура в центре Солнца. Цель исследований на RHIC состоит не столько в поисках новых частиц, сколько в исследованиях поведения кварков и глюонов в этих экстремальных условиях.
Еще один важный центр физики высоких энергий – Национальная ускорительная лаборатория имени Ферми, или кратко – Фермилаб. Главное сооружение Фермилаба – гигантские кольца, где протоны и антипротоны ускоряются до высоких энергий; благодаря им Фермилаб на протяжении большей части своего существования был прямым конкурентом ЦЕРНа. Фермилаб был основан в 1967 году, первым его руководителем стал Роберт Уилсон – ученый-универсал и гениальный администратор, прославившийся среди физиков своей креативностью и способностью добиться практически невозможного. При нем новая лаборатория была не только построена досрочно, но и на меньшие, чем предусмотрено бюджетом, средства. Кроме того, Уилсон сам спроектировал главное здание лаборатории и создал множество скульптур, которые вдохнули в это место жизнь и сделали его неповторимым. Когда Уилсон, который какое-то время обучался ваянию в Академии изящных искусств в Риме, предложил возвести на территории лаборатории 10-метровый металлический обелиск, ему было отказано, поскольку правила профсоюза сварщиков требуют, чтобы все сварочные работы проводились только членами профсоюза. Реакция Уилсона была необычной, но очень характерной для него: он вошел в союз сварщиков, поступил учеником к главному сварщику механического цеха Фермилаба Джеймсу Форестеру и послушно прошел курс обучения. Обелиск, который Уилсон сооружал в обеденное время и выходные дни, был установлен в 1978 году недалеко от главного здания.
Гордостью лаборатории Ферми был Теватрон – громадная машина, в которой сталкивались протоны с антипротонами при энергиях 2000 ГэВ. (Вспомним, что «ТэВ» означает один терраэлектронвольт, что составляет один триллион электронвольт или 1000 ГэВ.) Завершенный в 1983 году Теватрон был тогда ускорителем с самой высокой энергией в мире, пока этот титул не перешел в 2009 году к БАКу. Свой звездный час Теватрон пережил в 1995 году, когда на нем был открыт необычайно массивный истинный (top) – кварк. Гордон Уоттс из Университета Вашингтона, который был в то время аспирантом в лаборатории Ферми, вспоминает момент, когда сигнал поднялся выше важного порога «три сигма» (подробнее про него будет сказано в главе 9), что позволяло объявить об открытии новой частицы:
Мы собрались на одно из серии важных заседаний, где обсуждались результаты всех анализов, которые должны были вот-вот докладываться на ближайшей конференции. В каждом анализе наблюдался небольшой избыточный сигнал, но он был столь маленьким, что не выглядел особенно значимым. На самом деле примерно те же результаты демонстрировались достаточно регулярно, мы все привыкли к ним, и на этот раз проигнорировали. Заканчивалось одно из заседаний этого обычного марафона, комната была переполнена, я сидел на полу фактически в самом конце аудитории. Было жарко, и воздух в помещении был… ммм… тяжелым (мягко говоря). Мы уже ждали последнего выступления, но тут один из слушателей, который, видимо, вошел в аудиторию достаточно рано, раз ему достался стул, поднял руку и произнес:… «Э-э…, минуточку… я делаю самую простую операцию: складываю весь фон и все сигналы и получаю больше трех сигм». В аудитории наступила тишина, все вспоминали, что было сказано в докладах, и пытались понять, прав автор реплики или нет. И тут либо докладчик, либо председатель собрания открыл рот… и грязно выругался. Я думаю, у всех холодок пробежал по спине.
Но долгожданный бозон Хиггса оставался вне пределов досягаемости Теватрона. С меньшими энергией и светимостью, чем у БАКа, американская машина всегда была аутсайдером в этой гонке. И только после того, как LEP был отключен, а БАК еще не заработал, у сотрудников Фермилаба появились шансы на то, что они первыми найдут надежные свидетельства существования таинственной частицы. Однако им это не удалось – физики с Теватрона смогли только исключить некоторые диапазоны масс, в которых бозона Хиггса не могло быть.
30 сентября 2011 года Теватрон был отключен навсегда – у американцев не хватало денег, да еще заработал БАК, гораздо более мощный. Закончилась работа последнего крупного коллайдера частиц высоких энергий на территории США. (Релятивистский коллайдер тяжелых ионов в Брукхейвене выполняет важную работу для ядерной физики, но он – не конкурент в поисках новых частиц, поскольку его максимальная энергия меньше 10 ГэВ на нуклон.) Будет ли у него когда-нибудь преемник, пока не известно.
Суперколлайдер
Предполагалось, что у Теватрона будет преемник – Сверхпроводящий суперколлайдер (ССК), проект которого был одобрен президентом Рональдом Рейганом в 1987 году и который первоначально планировалось запустить в 1996 году. ССК был невероятно амбициозным проектом, предусматривающим сооружение совершенно нового кольца с длиной окружности примерно 87 км и полной энергией сталкивающихся протонов 40 ТэВ, что в двадцать раз выше, чем на Теватроне. Оглядываясь назад, можно сказать, что проект оказался, видимо, слишком амбициозным. В первые дни, когда место для лаборатории еще не было выбрано, поддержка проекта была почти единодушной: представители почти всех штатов в Конгрессе надеялась, что смогут заполучить масштабный проект для своего штата и похвастаться этим перед избирателями. 43 из 50 американских штатов восприняли конкурс настолько серьезно, что даже провели геологические изыскания и экономическую экспертизу. Победителем стал Техас, точнее, территория возле сонного городка Ваксахачи, расположенного примерно в 50 км к югу от Далласа.
Но после того, как место для ССК было выбрано, энтузиазм в отношении проекта у представителей оставшихся ни с чем 49 штатов в Конгрессе сразу угас. Это были годы усиления требований по введению контроля над дефицитом федерального бюджета, а стоимость ССК, и в начале немаленькая, выросла почти в три раза, до 12 миллиардов долларов. Дополнительным негативным фактором (если не в представлении ученых, то уж точно в головах правительственных чиновников) была конкуренция проекту Суперколлайдера со стороны другого гигантского проекта – Международной космической станции. Бюджет МКС составлял свыше 50 миллиардов долларов только на саму станцию, разрабатываемую в NASA, а если включить в общую стоимость полеты космических шаттлов, получалось более 100 миллиардов долларов. И это при том, что большая часть денег на этот гигантский проект также должна была в конечном итоге осесть в Техасе – в Джонсоновском космическом центре управления полетами.
Я спросил Джоан Хьюэтт, теоретика из лаборатории SLAC, когда она решила пойти туда работать. Джоан назвала точную дату – 21 октября 1993. Это был день, когда Конгресс проголосовал за то, чтобы окончательно похоронить проект ССК. Хьюэтт звали и в лаборатории Суперколлайдера, и в SLAC, и естественно, она предпочла бы работать в новой команде и окунуться в захватывающую атмосферу создания новой машины на стадии ее строительства. Все то осеннее утро она внимательно наблюдала по каналу C-SPAN за слушаниями в Конгрессе, с ужасом понимая, что обсуждение идет в неправильном направлении. Она провела день в рыданиях, а потом позвонила директору SLACа и приняла его предложение. Ее карьера сложилась вполне успешно, в Стэнфорде она строила новые модели в физике элементарных частиц и изобретала хитроумные способы их проверки на основании полученных экспериментальных данных. Но невозможно было не чувствовать разочарования из-за несбывшейся надежды получать эти данные не из чужой лаборатории, а прямо у себя, раньше всех и при гораздо больших энергиях столкновений.
Сам я в то время был свежеиспеченным постдоком, членом группы, занимавшейся теорией элементарных частиц в Массачусетском технологическом институте. Я помню, мрачную атмосферу на встрече, которую мы проводили, пригласив все физическое сообщество большого Бостона поговорить о том, что делать дальше. Некоторые вопросы были чисто научными, например есть ли альтернативный способ решения тех задач, для которых разработан ССК. Но в основном говорили о том, должны ли мы направить свои усилия на поддержку серьезных инвестиций со стороны США в БАК или правильнее продолжать бой за ССК, который, впрочем, был уже проигран. Некоторые из вопросов были даже еще более практическими: есть ли какие-то способы помочь найти работу, хотя бы временную, тем ученым, которые остались на улице после закрытия лаборатории ССК?
На момент закрытия проекта Суперколлайдера на него уже было потрачено $2 млрд, выкопана часть туннеля и создана часть необходимой инфраструктуры. Трудно точно понять главный мотив решения Конгресса по закрытию проекта, но известно, что чиновники часто жаловались на нежелание руководства ССК следовать принятым бюрократическим процедурам. Отчет 1994 года, составленный комитетом Конгресса после закрытия проекта, назывался: «Потеря контроля: уроки Сверхпроводящего суперколлайдера». Он содержал подробный перечень многочисленных фактов бесхозяйственности, в том числе постоянную недооценку затрат, невыполнение обязательных внутренних проверок, а также трудности ученых в общении с Конгрессом и самим министерством энергетики. Иногда критика звучали глупо, например, когда газеты сообщили, что лаборатория потратила 20 000 долларов на растения, а эта сумма, как оказалось, включала затраты на озеленение территории. Физиков, меж тем, раздражало, что их отвлекают на то, что им казалось бюрократическими проволочками. Рой Швиттерс, бывший в то время директором лаборатории ССК, раздраженно заявил репортерам: «Наше время и энергию откачивают бюрократы и политики. Мы на ССК становимся жертвой мести студентов-троечников». Оглядываясь назад, мы понимаем, что это была, возможно, не самая политически дальновидная формулировка.
Кроме всего прочего, внутри физического сообщества тоже шла борьба. В то время как физика элементарных частиц на свои исследования получила изрядное финансирование и сумела привлечь общественное внимание, на другие направления физики выделялись гораздо меньшие деньги, и широкая общественность ими почти не интересовалась. Только семь процентов членов Американского физического общества (APS) состоят в Отделении элементарных частиц и полей, остальные занимаются исследованиями в области конденсированных сред и материалов, атомной и молекулярной физики, оптики, астрофизики, физики плазмы, гидродинамики, биофизики или другими направлениями. В конце 1980-х и начале 1990-х годов многие физики, работавшие в этих областях, были изрядно раздражены непропорционально щедрым финансированием работ по физике элементарных частиц, и для них проект ССК стал символом серьезного искажения приоритетов.
В 1987 году Боб Парк, бывший в то время исполнительным директором отдела APS (Американского физического общества) по связям с общественностью, сказал, что проект ССК «пожалуй, самый спорный из всех, расколовших физическое сообщество». Филип Андерсон из Принстона, уважаемый физик, специалист в области физики конденсированных сред, получивший Нобелевскую премию в 1977 году, заявил, что масштаб «результатов, полученных в физике элементарных частиц, совершенно не соответствует не только реальным затратам, но и несравним с масштабом результатов, полученных в других науках», и хотя ССК – хороший проект с научной точки зрения, деньги, которые он требует, лучше бы потратить на развитие других направлений науки. Джеймс Крумхансл, ученый-материаловед из Корнелла, который должен был стать следующим президентом APS, считал, что проект забирает деньги из более рентабельных областей исследований и с разработкой нового ускорителя частиц нужно подождать, пока технологии изготовления сверхпроводниковых магнитов не усовершенствуются. Кроме всего прочего, физики, занимающиеся элементарными частицами, часто сами себе вредили, хвастаясь перед коллегами своими достижениями в других областях, которые они считали побочными продуктами развития ускорителей, например, в магнитно-резонансной томографии. Николас Бломберген – еще один лауреат Нобелевской премии и президент APS – в 1991 году заявил: «Как один из пионеров в области магнитного резонанса, могу заверить вас, что он возник из физики микрообъектов».
Под натиском проблем, связанных с бюрократическим контролем, бюджетными проблемами и определением приоритетов в науке, немного отошли на второй план более важные вопросы о значении фундаментальных исследований и ценности собственно открытий самих по себе. В 1993 году в США избрали нового президента, сменились и многие конгрессмены, и новые поклялись народу взять государственные расходы под строгий контроль. Берлинская стена и Советский Союз рухнули, окончилась холодная война, а с ней и сопровожшее ее соревнование за технологическое превосходство. Роль физики высоких энергий в национальной политике, достигшая своего апогея во время Второй мировой войны в ходе выполнения Манхэттенского проекта, все последующие годы постепенное снижалась. Большинство думающих людей согласятся с тем, что задача лучшего понимания устройства Вселенной является важной, но не менее важно организовать адекватную медицинскую помощь и рабочие места для граждан страны. Выбрать здесь приоритеты и сбалансировать их между собой было не легко даже в самые благополучные времена.
После того как ССК был закрыт навсегда, отведенная для него земля и объекты инфраструктуры передали штату Техас, который очень долго пытался продать их частным владельцам. Это, наконец, удалось в 2006 году, когда миллионер из Арканзаса по имени Джонни Брайан Хант приобрел участок за 6,5 миллионов долларов. Хант хотел превратить комплекс ССК в супербезопасные информационные центры (дата-центры). Лаборатория ССК уже была оборудована силовыми и телекоммуникационными линиями, место тщательно выбиралось подальше от эпицентров возможных землетрясений и наводнений. Но в конце того же года 79-летний Хант поскользнулся на льду, сиьно ударился головой и умер. Планы по организации дата-центра были забыты, а участок под ССК снова оказался заброшенным. По сведениям на 2012 год, комплекс сегодня принадлежит владельцу химических заводов, который надеется построить там новый химический завод, но соседи возражают против этого. Какой бы ни была дальнейшая судьба лаборатории ССК, Ваксахачи уже никогда не сыграет важную роль в поиске бозона Хиггса.
Как многие и предсказывали, закрытие проекта ССК не привело к увеличению финансирования в других областях науки. Более того, те же самые конгрессмены, которые с таким энтузиазмом недавно голосовали за урезание расходов, с удовольствием стали распределять высвободившиеся деньги. В этой грустной истории был, однако, один бенефициант: Большой адронный коллайдер. Американские физики, которым власти отказали в постройке своей супермашины, успешно пролоббировали повышение участия США в проекте БАКа. Вливание американских денег сильно помогло продвинуть проект коллайдера и сохранить надежду на то, что бозон Хиггса когда-нибудь все-таки удастся поймать.