Читать «Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира»

Universum

О науке, ее прошлом и настоящем, о великих открытиях, борьбе идей и судьбах тех, кто посвятил свою жизнь поиску научной Истины

Sean Carroll

The Particle at the End of the Universe

How the Hunt for the Higgs Boson Leads Us to the Edge of a New World

Деривативное электронное издание на основе печатного аналога: Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира / Ш. Кэрролл; пер. с англ. Т. Лисовской. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015. –352 с.: ил., [16] с. цв. вкл. – (Universum). – ISBN 978-5-9963-1368-6.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации

Copyright © 2012 by Sean Carroll. All rights reserved.

© Перевод на русский язык, оформление. БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015

Моей матери, однажды приведшей меня в библиотеку

Люди недооценивают влияние новой реальности.

В 2008 году в помещении швейцарского консульства в Сан-Франциско проходил прием. Повод был вполне серьезный: в подземном туннеле Большого адронного коллайдера (БАКа), расположенного под Женевой, пучок протонов впервые совершил полный оборот. С этого момента БАК, огромный ускоритель частиц, расположенный на границе Франции и Швейцарии, в полную силу приступил к поискам разгадок тайн Вселенной.

Шампанское лилось рекой, и у Джоан Хьюэтт закружилась голова. Она давала интервью перед видеокамерой, гул голосов мешал ей говорить, но с лица не сходила радостная улыбка. Когда она, чеканя каждое слово, произнесла: «Я ждала этого дня целых. Двадцать. Пять. Лет», голос ее звенел от волнения.

Это действительно был волнующий момент. Физики элементарных частиц, наконец, получили долгожданный, так необходимый им гигантский ускоритель частиц, способный сталкивать друг с другом протоны с очень высокими энергиями. Ученые долго объясняли всем, что без этого ускорителя невозможно сделать следующий шаг вперед. Одно время они рассчитывали, что ускоритель будет построен в США, но судьба распорядилась иначе. Конгресс США впервые одобрил проект строительства Сверхпроводящего суперколлайдера (ССК) в Техасе в 1983 году. Было объявлено, что ССК начнет работать к 2000 году, он должен был стать самым большим из всех когда-либо построенных коллайдеров. Хьюэтт в 1983-м только поступила в аспирантуру и, как и множество других блестящих и амбициозных физиков ее поколения, надеялась, что будущие открытия на ССК положат начало ее научной карьере.

Но проект ССК закрыли, и тем самым из-под физиков выдернули стул – ведь они так рассчитывали, что этот суперускоритель придаст мощный импульс развитию физики элементарных частиц на ближайшие десятилетия. Но на пути встала политика, бюрократия и внутренние распри. И вот наконец-то БАК, во многих отношениях похожий на то, чем должен был стать ССК, готов к запуску, а уж Хьюэтт и ее коллеги были к этому готовы давно. Джоан рассказывает: «Последние 25 лет я только тем и занималась, что собирала все сумасшедшие теории и рассчитывала их “подписи” (то есть определяла, какие новые частицы эти теории предсказывали на колллайдерах – сначала ССК, а потом и БАК)».

Была и еще одна, глубоко личная причина того, что у Джоан закружилась голова. На видеозаписи интервью видно, что ее рыжие волосы острижены очень коротко – почти под ноль. Это не потому, что такова была мода в то время. Несколько раньше в том же году у нее диагностировали агрессивную форму рака груди. Шансы смертельного исхода в этом случае один к четырем. Она выбрала чрезвычайно интенсивную программу лечения, включающую жесткую химиотерапию и бесчисленные хирургические операции. Ее гордость – копна рыжих волос, иногда доходивших до пояса, – быстро исчезла. Джоан Хьюэтт со смехом рассказывала мне, что иногда для того, чтобы не упасть духом, она представляла себе, какие новые частицы могут быть найдены на БАКе.

Мы с Джоан были друзьями и коллегами в течение многих лет. Моя узкая специальность – космология – изучение Вселенной как целого. У космологии недавно начался золотой век – она обогатилась новыми данными и неожиданными открытиями. А физика элементарных частиц, в последнее время ставшая неотделимой от космологии, напротив, остро нуждалась в новых экспериментальных результатах, которые бы помогли разобраться со старыми теориями и привели нас к новым идеям. Ожидание, казалось, длилось целую вечность. На том приеме 2008 года еще одного физика – Гордона Уоттса из Вашингтонского университета – спросили, не испытывал ли он стрессов из-за такого долгого ожидания запуска БАКа. Он ответил честно: «Испытывал, и сильные. У меня в результате появилась уйма седых волос. Жена утверждает, что это из-за нашего сына, но я-то знаю – это из-за БАКа».

Физика элементарных частиц стоит на пороге новой эры, и, видимо, очень скоро некоторые теории вот-вот исчезнут, а другие, если повезет, окажутся правильными. У каждого физика из присутствовавших на приеме, имелись свои любимые модели – бозон Хиггса, суперсимметрия, техниколор (техницвет), дополнительные измерения, темная материя… Целая уйма экзотических идей и их еще более фантастических применений.

«Я надеюсь, что БАК найдет как раз то, чего в этом списке нет, – говорит Хьюэтт с энтузиазмом, – и, честно говоря, верю, что он преподнесет нам настоящий сюрприз, потому что, мне кажется, Природа умнее нас, и у нее уже припасено некоторое количество загадок, а мы чудесно проведем время, пытаясь их разгадать».

Это было в 2008 году. А к 2012 году вечеринка, посвященная инаугурации БАКа в Сан-Франциско, уже осталась в прошлом, и началась эра открытий. Волосы Джоан отросли. Лечение было мучительным, но оно, кажется, подействовало. И эксперимент, которого она ждала всю свою научную жизнь, вершит историю. После двух с половиной десятилетий занятий чистой теорией Хьюэтт наконец сможет проверить свои идеи на реальных данных – увидеть частицы и взаимодействия, которых никогда не видел ни один человек, и раскрыть секреты, которые природа тщательно скрывала от нас. До последнего времени.

А теперь перенесемся в июль 2012 года – на Международную конференцию по физике высоких энергий. Эта конференция проходит каждые два года, причем в разных городах и странах. В 2012 году она проходила в Мельбурне, в Австралии. Сотни специалистов в области физики элементарных частиц, включая Джоан, 4 июля заполнили главную аудиторию, готовясь принять участие в специальном семинаре. Вот-вот все инвестиции в БАК должны были окупиться, а все ожидания, накопившиеся за годы, оправдаться.

Сама презентация в Мельбурне транслировалась из ЦЕРНа – научного центра в Женеве, к которой относится БАК. Программой Мельбурнской конференции было предусмотрено два доклада. В последний момент устроители конференции решили, что в событии такой важности должно участвовать множество людей – и все те, кто помогал добиться такого успеха. И этот жест был оценен – сотни физиков приехали в ЦЕРН за несколько часов начала заседания, назначенного на 9 утра по женевскому времени, причем некоторые, чтобы успеть занять удобное место, даже провели ночь под открытым небом в спальных мешках.

Открыл заседание Рольф Хойер, генеральный директор ЦЕРНа. Объявлено, что будет два доклада – американского физика Джо Инкандела и итальянского физика Фабиолы Джанотти, руководителей двух основных экспериментов, занимавшихся сбором и анализом данных на двух самых больших детекторах БАКа. Каждая из этих коллабораций включает более трех тысяч сотрудников, большая часть которых работала на своих компьютерах, сидя в самых разных частях света. Заседание транслировалось в прямом эфире не только в Мельбурне – его смог посмотреть каждый человек на планете, пожелавший услышать доклады. Для этого праздника Большой науки, призванного отметить грандизное достижение, потребовавшего огромной высококвалифицированной работы всего международного сообщества, ставки в которой были высоки, а призы – достойны, круг участников был выбран правильно.

Заметно было, что нервничали оба докладчика – и Джанотти, и Инкандела, но их презентации говорили сами за них. Каждый вначале выразил сердечную благодарность многочисленным инженерам и ученым, которые участвовали в проведении экспериментов. Затем Джанотти и Инкандела подробно объяснили, почему следует верить результатам, о которых они собираются рассказать, продемонстрировав, что они отлично знают, как работают их установки. И только после того, как была безукоризненно изложена эта часть, докладчики показали, что же все-таки было найдено.

И вот они – эти результаты. Несколько графиков, которые покажутся неискушенному взгляду неинтересными, но на них видна систематически повторяющаяся особенность: при некоторых определенных энергиях видно большее количество событий (наборов частиц, образующихся при одном столкновении), чем ожидалось. Все физики в аудитории немедленно понимают, что это значит: появилась новая частица. Действительно, на Большом адронном коллайдере