Шон Кэрролл - Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира
13 декабря 2011 года физики и изрядное количество интересующихся непрофессионалов набились в конференц-залы в разных точках земного шара и сгрудились вокруг компьютерных терминалов для того, чтобы послушать доклады двух исследователей – представителей команды БАКа о новостях в поисках бозона Хиггса. Эта тема очень часто обсуждалась на физических семинарах, и в конце почти всегда повторялось заклинание: «Поиск продвигается успешно! Пожелайте нам удачи!» Но на сей раз все было по-другому. В течение нескольких дней перед этим в Интернете циркулировали слухи о том, что мы услышим необычное сообщение, что нам скажут нечто вроде: «Мы действительно увидели что-то. Может быть, мы, наконец, нашли доказательства того, что бозон Хиггса действительно существует».
И это оказалось правдой, были получены некоторые свидетельства того, что на БАКе на самом деле увидели бозон Хиггса. Однако свидетельства, заметьте, не окончательные доказательства. В БАКе сталкивались протоны с невероятно огромными энергиями, и два разных гигантских эксперимента регистрировали частицы, рождающиеся в этих столкновениях. И оказалось, что при определенной энергии два фотона (кванта света) с высокой энергией возникали чуточку чаще, чем этого можно было бы ожидать, если бы никакого бозона Хиггса не было. Это указывало на то, что, скорее всего, что-то действительно происходит, но это еще не было открытием. Рольф Хойер закончил прессконференцию пожеланием: «Увидимся в будущем году, когда, надеюсь, уже можно будет объявить об открытии».
Так оно и произошло. 4 июля 2012 года прошли еще два семинара, и на них была обнародована новая информация. И на этот раз не просто дразнящие намеки – были представлены весомые доказательства того, что новая частица найдена. Сомнения рассеялись. Тысячи физиков во все мире радостно захлопали в ладоши и облегченно вздохнули – БАК доказал свою успешность.
На распутье
В извечном желании человечества лучше понять, как устроена Вселенная, физика элементарных частиц играет роль первопроходца. Сегодня она стоит у критической черты. Это очень дорогая область науки. И ее будущее неясно.
Поиск бозона Хиггса – не просто история про субатомные частицы и эзотерические идеи. Это еще и история про деньги, политику, ревность. Проект, в который вовлечено невероятно много людей, который осуществляется в рамках беспрецедентного международного сотрудничества, и в котором уже использована не одна прорывная технология, не может обойтись совсем без случаев халатности, махинаций, а иногда и мошенничества.
БАК – это не первый гигантский ускоритель элементарных частиц, которому была поставлена задача найти бозон Хиггса. Был Теватрон, построенный в Лаборатории имени Ферми (Фермилабе), расположенной недалеко от Чикаго. Он заработал в 1983 году, но после весьма эффективной работы, которая, в частности, ознаменовалась открытием истинного кварка, в конце концов был остановлен в сентябре 2011 года. Бозон Хиггса Теватрон так и не обнаружил. Был еще Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP), работавший с 1989 по 2000 год в том же подземном туннеле, где сейчас размещен БАК. Вместо относительно массивных протонов, в результате столкновения которых обычно происходят беспорядочные выплески самых разных частиц, LEP сталкивал электроны с их собратьями из антивещества – позитронами. Эта реакция позволила производить очень точные измерения, но ни в одном из них не появился бозон Хиггса.
А потом был Сверхпроводящий суперколлайдер, или ССК, о котором с грустью рассказывала Хьюэтт. ССК был американской версией БАКа, но только больше, лучше, и по плану он должен был заработать первым. Спроектированный в 1980-х годах, ССК, согласно проекту, был призван развивать энергию почти в три раза выше той, что когда-нибудь сможет достичь БАК (и в шесть раз выше той, которую БАК развил на данный момент). Но у БАКа есть огромное преимущество перед ССК: его все-таки построили.
Всего лишь через пару лет после начала работы БАКа он преподнес людям подлинное открытие – частицу, очень похожую на бозон Хиггса. Это открытие ознаменовало конец одной эпохи и начало другой. Бозон Хиггса – не просто еще одна частица. Это особый вид частиц, который мог бы очень естественным образом взаимодействовать с другими видами частиц – теми, которых мы еще не обнаружили. Бозон Хиггса может оказаться перемычкой, соединяющей наш мир с другим, скрытым от нашего взгляда и пока недосягаемым. Теперь, когда эта частица найдена, нам предстоят десятилетия работы, чтобы узнать ее свойства, и понять, куда она сможет нас еще привести.
В долгосрочной перспективе будущее экспериментальной физики элементарных частиц остается неясным. 100 или даже 50 лет назад основополагающие открытия в области физики элементарных частиц делались на таком оборудовании, которое в своей лаборатории мог собрать один ученый с помощниками-студентами. Эти времена, похоже, ушли навсегда. Если БАК кроме бозона Хиггса не откроет нам ничего нового, убедить скептически настроенных политиков в том, что нужно выделить еще больше денег для строительства следующих поколений коллайдеров, станет гораздо труднее.
Такие установки, как БАК, требуют не только инвестиций в миллиарды долларов, но и тысячи человеко-лет работы специалистов, посвятивших свою жизнь тому, чтобы чуть-чуть глубже проникнуть в тайны природы. Таких людей, как Лин Эванс, который много сделал для доведения проекта БАКа до конца, или Джоан Хьюэтт, которая проанализировала бесконечное количество теоретических моделей, или Фабиола Джанотти и Джо Инкандела, которые руководили коллаборациями, совершившими историческое открытие. Все они в этой игре сделали огромные ставки – рискнули всей своей многолетней профессиональной работой и поставили на то, что с помощью этой установки будет открыта новая эпоха великих открытий. Открытие бозона Хиггса – это их награда, подтверждение того, что вся их работа была проделана не напрасно. Но, как Хьюэтт говорит, в действительности они больше всего хотели бы открыть то, чего никто не ожидал.
К счастью, Природа никогда не перестанет нас удивлять.
Глава 2
Прикосновение к божественному
Мы обнаружим, что бозон Хиггса не имеет ничего общего с Богом, но тем не менее очень важен.
Леон Ледерман сразу пожалел о том, что сделал. Он понял, что совершил ошибку, но отыграть обратно уже не удалось. Это одна из тех мелочей, которые приобретают неожиданно важные последствия.
Мы говорим, конечно, о «частице Бога». Не самой частице, которая есть всего лишь бозон Хиггса. А о названии «частица Бога», за которое несет ответственность Ледерман.
Один из самых крупных физиков-экспериментаторов в мире, Ледерман получил Нобелевскую премию по физике в 1988 году: он показал, что в природе существует не один, а по крайней мере два типа нейтрино. Если бы он не получил премию за это, то получил бы за другие достижения, также достойные Нобеля, в том числе за открытие нового вида кварков. (Сегодня нам известны только три типа нейтрино и шесть типов кварков.) В свободное время Ледерман руководил Фермилабом и организовывал Иллинойскую научную академию математики (IMSA). Он вообще харизматичная личность – с великолепным чувством юмора, прекрасный рассказчик. Вот, к примеру, одна из любимых баек Ледермана: будучи аспирантом, он однажды подкараулил Альберта Эйнштейна, гулявшего по территории Института перспективных исследований в Принстоне, и принялся со всем присущим ему жаром рассказывать про свои исследования в области физики элементарных частиц, которыми он тогда занимался в Колумбии. Гений терпеливо выслушал горячего юношу, а затем сказал с улыбкой: «Это не интересно».
Итак, именно он придумал название «частица Бога» для бозона Хиггса, что в научном сообществе расценивается как его не самое удачное деяние. На самом деле Ледерман так назвал популярную книгу про физику элементарных частиц и поиски бозона Хиггса, которую написал в соавторстве с Диком Терези. В первой же ее главе соавторы объясняют, что выбрали такое название отчасти потому, что «издатель не позволил бы назвать бозон “проклятой Богом частицей”, хотя это было бы более подходящим названием, учитывая его гнусный характер и затраты, на которые из-за него приходится идти».
Международное сообщество физиков, как известно, – не самый дружный коллектив, но тут они единодушны: все ненавидят название «частица Бога». Питер Хиггс, шотландский физик, чьим именем традиционно называется частица, говорит со смехом: «Меня действительно сильно раздражала эта книга. И, думаю, не только меня».
Между тем, сообщество журналистов разных стран, которые в силу профессии часто спорят друг с другом, тоже проявляют завидное единодушие в этом вопросе – им как раз очень нравится это название – «частица Бога». Вы можете смело заключать пари (и это пари будет одним из самых беспроигрышных в мире), что, если в СМИ увидите статью про бозон Хиггса, где-то в тексте обязательно найдете словосочетание «частица Бога».
