Благодарности. Введение. Мастерская совершенства

Пол Хэлперн

Коллайдер

СОДЕРЖАНИЕ

Введение. Мастерская совершенства

Тайны мироздания

В поисках теории всего сущего

На золотых приисках. Эксперименты Резерфорда по рассеянию альфа-частиц

Ударными темпами. Первые ускорители

Фундаментальные силы - занимательный квартет

Сказ о двух кольцах: «Теватрон» и Протонный суперсинхротрон

Однажды в Техасе. Взлет и падение Сверхпроводящего суперколлайдера

Рожденный наносить удары. Как строился Большой адронный коллайдер

Темными дорогами. Загадки темной материи и темной энергии

На поле браны. В поисках подкопов в другие измерения

Черные мини-дыры - конец света или начало новой науки?

Послесловие. Будущее физики высоких энергий. Международный линейный коллайдер и прочее

Литература для дальнейшего чтения

Обзор литературы

Перевод с английского и редакция В. И. Строкова

Предисловие. Путешествие к сердцу Большого адронного коллайдера

Посвящается Джозефу и Арлин Финстон За их неиссякаемую доброту

В те времена, когда Хаос уже начал сгущаться, но еще не были явлены ни Силы, ни Формы, и не было еще ничему Имени, и ни в чем Деяния, кто мог бы тогда познать его образ?

«Кодзики» - японские «Записи о деяниях древности» (Перевод Е.М. Пинус)

Проходя по улице мимо комплекса АТЛАС (ATLAS), ни за что не догадаешься, что здесь находится самая большая в мире установка для исследования физики элементарных частиц. Довольно загруженное шоссе, отделяющее наземную часть комплекса от зданий ЦЕРНа, - это Рут-де-Мейрен. Из окна проезжающего по нему автомобиля АТЛАС легко принять за складское помещение вроде тех, что встречаются рядом с бензозаправками. Чего я только себе не представлял, пока наконец передо мной не распахнулись двери главного входа.

ЦЕРН, Европейский центр ядерных исследований (CERN - сокращение от франц. Conseil Еигорёеп pour la Recherche Nucleaire), расположенный на швейцарско-французской границе, славится своей открытостью. В отличие от военных объектов, здесь, если у тебя есть пропуск, можно фотографировать все что угодно. Однако современные детекторы элементарных частиц - очень сложные и небезопасные установки, поэтому проход в их «логова» жестко регламентирован.

Когда я пошел смотреть еще не законченную часть комплекса, мне дали нечто вроде строительной каски. А на моих гидах - ученых Ларри Прайсе и Чарли Янге - были значки радиации: так отрабатывается инструкция, по которой эти эмблемы обязательно нужно носить рядом с установками, где уже запущены пучки. Но вот получено разрешение, Прайс с Янгом вводят код, дверь автоматически открывается, и мы попадаем в святая святых.

Прежде чем спуститься под землю, мы осматриваем две огромные шахты, по которым узлы детектора спускали на глубину более 100 м. Я стою на краю одного такого колодца и вглядываюсь в пропасть, старательно вытягивая шею в попытке увидеть дно. Дух захватывает от высоты! Даже не знаю, чего мне хочется больше: заглянуть поглубже или не упасть.

Над второй шахтой раньше стоял кран, который опускал вниз различные детали. Прямо скажем, задача не из легких: привезти сюда узлы, изготовленные в совершенно разных концах света, собрать их вместе под землей, да так, чтобы случайно не испортить сложнейшую электронику. Каждый шаг этого смелого проекта требовал и требует тщательного обдумывания.

Мы заходим в скоростной лифт и спускаемся в так называемую плоскость пучка. Теперь мы на той самой глубине, на которой в Большом Адронном Коллайдере (БАК) будут бегать пучки частиц. Сам БАК представляет собой огромное кольцо. В нем удерживаются протоны и другие частицы, которые, двигаясь по кругу в противоположных направлениях, сначала ускоряются до рекордных энергий, а затем сталкиваются. В одной из точек, где протоны претерпевают лобовой удар, и установлен детектор АТЛАС, причем таким образом, что плоскость пучка рассекает его ровно пополам. Это сделано для того, чтобы поймать по возможности все осколки, беспорядочно разлетающиеся от места соударения.

Проходы, ведущие от лифта к пунктам управления и обзорной площадке, довольно замысловатые. В случае утечки радиации они послужат защитным барьером, поскольку большая часть радиоактивного излучения не проникнет через толстые стены. Кроме того, в качестве меры предосторожности уровень радиоактивного фона постоянно измеряется специальными датчиками.

В коридорах немного душно. Воздух накачивают сюда по вентиляции принудительно, а его состав тщательно контролируется. Детектор содержит, в частности, жидкий аргон, температура которого всего лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля - начала отсчета температуры по шкале Кельвина. Если аргон вдруг нагреется, испарится и выйдет наружу, он может быстро вытеснить весь пригодный для дыхания воздух. Избежать этой опасности позволяет разветвленная система оповещения, которая в экстренном случае подаст сотрудникам сигнал, чтобы они смогли вовремя эвакуироваться на лифте.

Наконец я дошел до обзорной площадки и стою, не в силах оторвать глаз от открывшейся передо мной картины: впервые в своей жизни вижу в одном месте такое скопление сверкающего металла и электроники. Когда смотришь на длинный, лежащий на боку цилиндр, заканчивающийся гигантским блестящим колесом с бессчетными спицами («колесо обозрения»), такое ощущение, будто набрел на крупнейший инопланетный корабль во Вселенной, пристыковавшийся к соответствующих размеров космической станции.

Если в ближайшие годы на ускорителе будут открыты новые массивные частицы (например, бозон Хиггса, который, как считают теоретики, отвечает за массы остальных элементарных кирпичиков), то это даст известную пищу для размышлений. Но такого рода открытия происходят не по мановению волшебной палочки, а в результате кропотливого статистического анализа гигантских залежей данных, накопленных за долгое время. Может, люди были бы не прочь увидеть фейерверк из новорожденных частиц, льющийся им на головы, но сегодня без помощи статистики нечего и надеяться разглядеть хотя бы малую его долю.

Задолго до моего приезда внутреннюю часть детектора герметично закрыли, поэтому там ничего не было видно. Снаружи проглядывали крупные магниты в форме тора (бублика), которые изгибают траектории летящих от оси заряженных частиц, а именно мюонов. Мюоны похожи на электроны, но тяжелее, и этот детектор благодаря своему большому размеру является самым точным в мире прибором для их регистрации. Спицы «колеса обозрения» - это как раз мюонные камеры.

Современные детекторы элементарных частиц (АТЛАС - живой пример) напоминают многослойную ловушку. Каждый настроен на свой сорт частиц, и то, что ускользнуло от одного прибора, попадает в другой. Главное предназначение набора таких ловушек - возможность поймать почти все, что движется.

Представьте дом, полный разных насекомых и паразитов. Поставите на кухне мышеловку - от грызунов избавитесь, но муравьи ее и не заметят. На средство против муравьев некоторые из них, вероятно, сбегутся, но мухи будут надоедать по-прежнему. Так и АТЛАС сделан из нескольких слоев, каждый из которых реагирует на свойства «своих» частиц.

Скажем, электроны и фотоны (частицы света) задерживаются в одном из внутренних слоев, так называемом электромагнитном калориметре. Тот самый жидкий аргон взаимодействует со светом и меряет выделившуюся энергию. В следующем слое, известном как адронный калориметр, остаются протоны и нейтроны. Все эти внутренние слои мне, собственно, не удалось увидеть.

Единственные заряженные частицы, ускользающие от внутренних детекторов, - это мюоны, которые с легкостью выходят наружу. Поэтому внешняя оболочка АТЛАСа так и называется - мюонная система. Выглядит она как лежащая на боку бочка с осью на траектории пучка и внушительными «заглушками» по обе стороны. Задача последних - отобрать как можно больше мюонов, так что в любом эксперименте, где рождаются такие частицы, этот прибор окажется кстати.

Но каким бы хорошим детектором АТЛАС ни был, у некоторых частиц получается его обмануть. Нейтрино, невероятно легкие нейтральные частицы, проходят его беспрепятственно. Ученые почти ничего не могут с этим поделать - им остается считать недостающую энергию и импульс. Давно известно, что нейтрино очень трудно поймать. Кроме того, в детекторе, естественно, надо оставить лазейку для пронизывающего его пучка, поэтому продукты столкновений, движущиеся под малыми углами, тоже теряются. Но поскольку исследователей интересуют обычно частицы, отлетающие под большими углами, нестрашно, если осколки, почти сонаправленные с пучком, останутся незамеченными.

Хитросплетения кабелей, напоминающие волосы горгоны Медузы, соединяют сложную электронику детектора с внешним миром, позволяя дистанционно управлять сбором данных. Благодаря этому исследователям, трудящимся над проектом, как правило, не нужно во время непосредственной работы ускорителя предпринимать вылазки в приборные отсеки. А обработать стремительный поток информации ученые смогут с помощью системы под названием «Грид», дающей доступ к обособленной сети компьютеров, охватывающей весь земной шар. В результатах анализа они будут искать следы бозона Хиггса и других гипотетических частиц.

Плохого бы я был мнения о БАК, если б решил, что он ограничивается этой исполинской искусственной пещерой, где стоит АТЛАС. От последнего через отверстия в стене уходят трубы ускорителя, расположившиеся во впечатляющем тоннеле. За километры от того места, где я сейчас, в таких же гротах стоят еще детекторы: многоцелевой детектор CMS, оборудованный сильным центральным магнитом, «Алиса» (ALICE), специальный детектор для изучения столкновений ионов свинца, детектор БАК-b (LHCb), предназначенный для исследования взаимодействия так называемых b-кварков, и некоторые другие.

Поднявшись на свежий воздух, я решил немного осмотреть французский ландшафт поверх кольца БАК. Большая часть кругового 27-километрового тоннеля проходит под идиллической местностью под названием Пэи-де-Жекс («область Жекс»), раскинувшейся на границе Франции и Швейцарии. Захватив паспорт, я сел в автобус, направляющийся из Женевы во французскую деревню Ферней-Вольтер. Она, как подсказала мне карта, находится, грубо говоря, над одним из сегментов тоннеля БАК.

В этом старомодном уголке, где когда-то философствовал Вольтер, почту до сих пор развозят на велосипедах. В «буланжери» можно прикупить свежего французского багета, испеченного по старинному рецепту, а во «фромажери» - отведать ароматный «блё-де-жекс» и другие тамошние сыры. По сторонам ведущих в город дорог - дома с выцветшей на солнце желтой или зеленой штукатуркой и крышами, выложенными бургундской мозаичной черепицей. Цивилизация сюда, кажется, еще не добралась. Но от иллюзии не осталось и следа, как только мимо меня проехал белый микроавтобус с бросающейся в глаза эмблемой ЦЕРНа. Она словно говорила: не стоит забывать, что эта уютная деревенька со всеми ее прелестями сельской жизни соседствует с одной из самых смелых научных затей XXI в.

Вернувшись на Рут-де-Мейрен, я заметил тот же контраст старого и нового. В ЦЕРНе с пиететом относятся к истории. Его улицы носят имена людей, которых объединяла общая цель - найти фундаментальные составляющие природы. Здесь Демокрит и Мария Склодовская-Кюри, Джеймс Клерк Максвелл и Альберт Эйнштейн. По площади церновского музея рассеяны всевозможные ускорители и детекторы разных форм, размеров и эпох. Невольно сравнивая эти первые маленькие детекторы с АТЛАСом, воочию видишь мощь прогресса, произошедшего в физике элементарных частиц за последние 75 лет.

В новом проекте задействованы и прежние версии ускорителей. До того как частицы попадают в основное кольцо, их сначала разгоняют на «старых» установках, самой почтенной из которых около полувека. Словно духи прошлого благословляют ученых на будущие свершения.

Последуем и мы примеру ЦЕРНа: прежде чем окунуться в мир современных проблем и методов исследования, обратимся к истории физики элементарных частиц и способам, давшим нам возможность разведать кое-какие секреты природы. Так мы наберем необходимый импульс! Я задумывал эту книгу не только как повесть о Большом адронном коллайдере и сногсшибательных открытиях, которые он может нам подарить. Мне хотелось также проследить тот путь, которым человечество движется к ответу на старый как мир вопрос: на каком фундаменте покоится мироздание? Частицы уже начали свой бег по коридорам ускорителя высоких энергий, и мы тоже вот-вот отправимся в фантастическое путешествие.

Благодарности

Спасибо всем тем в ЦЕРНе, кто уделил мне время, чтобы рассказать о своей работе, и провел экскурсии по установкам. Особенно я хочу поблагодарить Михаэла Рейссенбека - главу исследовательской группы из Университета Стоуни-Брук, ведущей АТЛАС, - за готовность обсудить со мной разные стороны этого проекта и за помощь в организации встреч, которые оказались невероятно полезными. Выражаю также глубокую признательность Венетиосу Полихронакосу, Ларри Прайсу, Чарли Янгу, Ашфаку Амаду, Адаму и Кате Юркевич, Александру Ходинову, Джейсону Фарли, Джулии Грей и Джету Гудсону.

Большое спасибо Дэвиду Кассиди и Адаму Юркевичу за то, что они прочитали отдельные главы и высказали свои замечания. Хочу также поблагодарить Дж. Дэвида Джексона из Калифорнийского университета и Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли за полезные комментарии. Спасибо Дэвиду Брину за учтиво предоставленную цитату из его романа «Земля» и Герману Воуку за любезное разрешение включить в эту книгу цитату из «Техасского котлована».

Я благодарю своих редакторов в «Уили», Констанцию Сантистебан и Эрика Нельсона, за их уверенность, помощь, идеи и дальновидность, а также моего агента Джилса Андерсона за его мудрые советы и поддержку.

За поддержку в этом и других моих литературных опытах я признателен своим коллегам из Университета наук в Филадельфии - Филу Гербино, Элаю Эскенази, Джуду Кучински, Брайану Киршнеру, Филлис Блумберг, Стиву Родригу, Сержиу Фрейре, Бернарду Бруннеру, Джиму Каммингсу, Пину Канлиффу, Рою Робсону, Дэвиду Трэкселу, Джастину Эверетту, Дирдре Петтипис, К. Шветкету Вирбхадре и многим другим.

Спасибо моим друзьям, с которыми я уже много лет обсуждаю все захватывающие идеи, - Фреду Шюпферу, Майклу Эрлиху, Фрэн Шугарман, Митчеллу и Уэнди Кальц, Симоне Зелич, Доу Буххольцу, Бобу Янцену, Роберту Кларку, Скоту Веггебергу, Эвану Томасу, Дубравке Клабукару, Элане Льюбит и покойному Дональду Баски.

Огромное спасибо моей жене Фелиции и моим сыновьям Эйдену и Элаю за неиссякаемую любовь, теплоту и интересные мысли. Приношу благодарность своим родителям, Стэну и Банни Хэлперн, за их поддержку, а также своим родственникам - Джозефу и Арлин Финстон, Саре и Ричарду Эванс, Лейн и Джилу Хуревиц, Джэнис, Ричарду, Джерри, Долорес, Майклу, Марии Энтнер, Дене и Амритпалу Хэттон, Аарону Стэнбро, Кеннету, Алану, Бет, Тессе, Ричарду, Аните, Эмили, Джейку Хэлперну и остальным.