Иэн Сэмпл - В поисках частицы Бога, или Охота на бозон Хиггса
Центр активности в лаборатории Ферми — Уилсон-холл. Это здание похоже, если смотреть сбоку, на гигантскую подставку для тостов, а если спереди — на греческую букву π без верхней крышечки или на две гигантских руки, сложенные в молитве. Уилсон-холл стоит в стороне от “Теватрона”, помещенного в четырехмильный туннель, прорытый на глубине 25 футов под землей.
“Теватрон” был построен для того, чтобы сталкивать протоны и антипротоны внутри двух детекторов: CDF (сокращенное обозначение для названия Collider Detector Fermilab) и DZero (названный по месту его расположения на кольце ускорителя). В конструкции коллайдера есть сильные и слабые стороны. К сильным относится возможность разгонять оба пучка до нужных скоростей с помощью одних и тех же блоков ускорителя, поскольку протоны и антипротоны обладают одинаковыми массами и равными, но противоположными по знаку зарядами. Электрическое поле, разгоняющее пучок протонов в одну сторону, будет разгонять пучок антипротонов в другую. С другой стороны, антипротоны сложно создать и собрать, а еще сложнее образовать из них хорошие пучки.
Первые столкновения на “Теватроне” были получены в 1985 году, но наиболее ценные открытия на этой машине ученые сделали только десять лет спустя. В марте 1995 года физики объявили, что они зарегистрировали t-кварк (истинный) — самую тяжелую элементарную частицу из всех известных нам частиц. Истинный кварк весит около 170 ГэВ, примерно столько же, сколько атом золота. Кстати, теоретики и предсказывали для него примерно такую величину массы.
Через некоторое время (пережив несколько триумфов с традиционным распитием шампанского) физики “Теватрон” остановили — для планового ремонта. Машину усовершенствовали, дабы она могла вдохнуть еще больше энергии в пучки частиц, повысив полную энергию столкновений до 1,96 ТэВ. В основном модифицировали детекторы и блоки ускорителя. Все это было сделано для увеличения интенсивности пучков и в конечном итоге — частоты столкновений до более чем миллиона в секунду.
И вот наконец обновленный “Теватрон” был почти готов к началу охоты на частицу Хиггса, а между тем на церновском LEP получили сигналы, похожие на следы неуловимой частицы. Роберт Розер, один из двух ученых, возглавлявших команду теватроновского детектора CDF, работал там со времен открытия истинного кварка. Когда прошел слух, что в ЦЕРНе, возможно, уже нашли бозон Хиггса, он испытал страшное разочарование. “Мы потратили столько сил на модернизацию установки, чтобы получить возможность выследить бозон Хиггса, и вот, когда у нас наконец все готово, вдруг кто-то выходит и заявляет, что, кажется, уже поймал его, — говорит он, перекрикивая гул от работающего за стенами диспетчерской CDF оборудования. — В глубине души все понимали, что главное — это получить ответ на вопрос, но у нас же есть честолюбие, мы азартны и готовы к конкуренции. И естественно, если вы обагрили установку кровью, полили потом и слезами, то вам хочется получить результаты первыми!”
После того как LEP был выключен, а открытие не состоялось, “Теватрон” остался единственным участником забега. Обновленную машину запустили весной 2001 года, но вскоре стало ясно, что работает она как-то не так. Инженеры изо всех сил боролись с неполадками в ускорителе, но, несмотря ни на что, первые несколько лет он работал на пониженной мощности. Фермилаб подвергли жесткой критике в прессе, и отношения между инженерами, отвечающими за эксплуатацию машины, и учеными, работающими на детекторах, стали напряженными. Поиск бозона Хиггса был невозможен из-за того, что в ускорителе не хватало сталкивающихся частиц.
“Трудности роста” “Теватрона” означали, что при более высоких энергиях будет нелегко удерживать пучки на устойчивых фиксированных орбитах. Это снижало точность фокусировки пучков, направляемых в лобовые столкновения. Все кольца направляющих магнитов пришлось перенастраивать по новым показаниям устройств GPS и лазерного наведения. К началу 2005 года ускоритель заработал на полную мощность и уже стабильно сталкивал достаточное количество частиц, что дало ученым надежду наконец увидеть бозон Хиггса.
Как и любые другие специалисты, физики, работающие в области элементарных частиц, едут туда, где для них есть работа. По мере того как ускорители высоких энергий строятся на одном континенте и закрываются на другом, ученые мигрируют туда, где больше шансов открыть что-то новое в науке. С появлением современных способов коммуникации, прежде всего Интернета, для некоторых это перемещение чисто виртуальное — они анализируют результаты столкновений, не выходя из своих кабинетов. Но есть и такие, кто снимается с насиженного места и переезжает, чтобы участвовать в процессе поисков непосредственно.
Джон Конвей как раз относится ко второй категории. Сначала он был экспериментатором в Университете Дэвис в Калифорнии, потом провел годы в ЦЕРНе в команде ученых “Алефа”, которая гналась за частицей Хиггса по поманившему их следу. А затем Конвей вернулся в США, чтобы участвовать в реконструкции детектора CDF в лаборатории Ферми. Чуть позже, в декабре 2006 года, он опять приехал в ЦЕРН, на этот раз чтобы организовать доставку некой уникальной электроники, предназначенной для получения треков частиц внутри компактного мюонного соленоида — CMS (Compact Muon Solenoid) — детектора для строящегося Большого адронного коллайдера. Но Конвею та декабрьская поездка в ЦЕРН запомнилась другим180.
Большую часть года его команда выжидала. На детекторе CDF нужно было набрать определенное количество столкновений, а потом проверить, не появились ли признаки рождения частицы Хиггса. На “Теватроне”, согласно теории, в столкновениях протонов и антипротонов могут родиться частицы Хиггса, которые быстро распадутся на две другие, называемые тау-лептонами — тяжелыми кузенами электронов.
Конвей совместно с физиками из Университета Ратгерса в Нью-Джерси разрабатывал программу для детектора CDF, которая вычленяла столкновения, выглядевшие как распад частицы Хиггса на тау-лептоны. Сложность была в том, что некоторые другие известные частицы при своих распадах выдают практически такие же сигналы, так что команда понимала, что их программа будет регистрировать много ложных сигналов. Единственный способ понять, есть ли среди них бозон Хиггса, — это узнать об истории столкновений гораздо больше, чем требуется для идентификации других частиц. Не так важно, что частица не будет найдена, по крайней мере, будет известно, в какой области энергий частиц Хиггса нет.
Было субботнее утро, когда Конвею сказали, что необходимые данные с детектора CDF собраны и все проверки выполнены. Настало время, как говорится, “открыть крышку ящика”. Конвей сидел один в атриуме здания номер 40 в ЦЕРНе, где расположены офисы ученых, работающих на детекторах LHC “Атлас” и CMS, и обрабатывал данные на своем ноутбуке. Нажав несколько клавиш, он стал ждать результаты. Когда график наконец появился на экране, Конвей почувствовал, что волосы у него на голове зашевелились. Там оказалось гораздо больше сигналов тау-лептонов, чем ожидалось. “Это было похоже черт знает на что!” — рассказывал Конвей. Если частица Хиггса была там, то именно так она бы и проявилась!
Нужно было срочно возвращаться в Фермилаб, показать все это безумие коллегам. Конвей позвонил в авиакомпанию. Билетов на завтра не было, но нашелся один на понедельник. Конвей тут же поменял свой обратный билет и отправил мейл команде в Ратгерс — сообщил им о происходящем. Те еще спали, но должны были получить письмо достаточно скоро. Конвей посмотрел вверх, на армированную стеклянную крышу над атриумом. Похоже, в выходные ему отдыхать не придется...
На графике на экране ноутбука Конвея был явственно виден пик, выглядевший, как след частицы Хиггса с весом около 160 ГэВ. Конечно, Конвей понимал, что это может быть всего лишь статистическая флуктуация. Физики, занимающиеся элементарными частицами, уже давно хорошенько усвоили одну очень важную вещь — сигнал, который выглядит таким обнадеживающим сегодня, завтра может исчезнуть. Конвей должен был проверить, какова вероятность того, что пик данного размера мог появиться случайно, в отсутствие частицы Хиггса. У физиков имеется испытанный способ расчета, но он не быстрый. Нужно запустить программу, в которой происходит численное моделирование огромного числа мнимых столкновений при условии, что частиц Хиггса нет, а потом смотреть, как часто пик, похожий на открытие, появляется на графике. Если он возникает довольно часто, кричать “Ура!”, пожалуй, пока не стоит.
Конвей объединил все программы, необходимые для моделирования, и добавил дополнительные команды, позволяющие распределить вычисления между двадцатью различными компьютерами. Нажатием кнопки он ввел команды в компьютеры в вычислительном центре Университета Калифорнии и запустил процесс. Теперь оставалось только ждать — для того, чтобы обработать данные и получить ответ, требовалось несколько дней, даже при параллельной работе компьютеров.
