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

Будущее физики элементарных частиц немыслимо без интенсивного международного сотрудничества.

Лев Борисович Окунь. Круглый стол «Будущее физики элементарных частиц», 2003 г.

Куда нам идти дальше? После более чем 75 лет стремительного прогресса будущее физики высоких энергий сегодня никак нельзя назвать определенным. Многое зависит от того, что мы обнаружим на Большом адронном коллайдере.

В худшем случае, если на БАК не будет найдено ничего интересного, физическому сообществу придется произвести переоценку ценностей. Оправдано ли окажется в финансовом плане дальнейшее повышение энергии ускорителей в надежде натолкнуться на более тяжелые частицы? Будут ли государства готовы выбрасывать гигантские суммы на непонятные рядовому гражданину исследования в этот не самый приятный для мировой экономики период? Если БАК нас ничем не порадует, нечего будет и думать, чтобы заручиться поддержкой политиков, замахиваясь на проект еще более крупного агрегата. «Физике элементарных частиц, наверное, придет конец»⁹⁷, - сказал Мартинус Вельтман, рассуждая о том, что будет, если существующий в природе бозон Хиггса не обнаружат на БАК.

Впрочем, настолько пессимистичные прогнозы не имеют под собой оснований. Предположим, БАК все-таки обнаружит новые частицы (скажем, «хиггс» и суперсимметричных партнеров), укажет пальцем на главных претендентов на темную материю, прольет свет на скрытые измерения и/или найдет что-нибудь совсем уж из ряда вон выходящее. Прочесав экспериментальные данные, теоретики тогда скажут, какие модели их лучше всего объясняют, и предъявят список того, чего им недостает, чтобы заполнить все пробелы.

В идеале уникальные открытия на БАК помогут нам понять, насколько точно Стандартная модель отражает природу в широком диапазоне энергий. С их помощью мы также сможем сделать выбор между Стандартной моделью в ее первоначальном варианте и суперсимметричными теориями или же склониться в пользу других альтернатив. Если получится отсеять какие-то гипотезы и оставить только самые правдоподобные, было бы здорово. Но, судя по предыдущему опыту, творческой активности теоретикам не занимать - как бы нам не оказаться лицом к лицу с еще большим количеством моделей, чем было раньше. Что тогда будем делать?

В памяти слишком свежо фиаско, которое потерпел Сверхпроводящий суперколлайдер, поэтому вряд ли эстафету у ЦЕРНа перехватят американские лаборатории. Не считая участия США в европейских и международных проектах (хотя его значение трудно переоценить), в целом в американской физике высоких энергий движения мало. Новый ускоритель не предвидится, а существующие лаборатории вынуждены работать в условиях постоянного сокращения финансирования.

«Фермилаб» уже больше 20 лет живет в ожидании страшного конца. Едва под ССК была выбрана техасская площадка, экспериментаторы Батавии уже приготовились увидеть последние обороты своей любимой высокоэнергетичной карусели - хотя она еще по-настоящему и не разогналась. Однако судьба продлила аттракциону жизнь. Отмена программы ССК в 1993 г. и открытие в 1995 г. на «Теватроне» топ-кварка дали понять, что без «Фермилаба» физика элементарных частиц многое бы потеряла. И вместо того чтобы законсервировать ускоритель, его всего лишь временно закрыли на ремонт.

С 1996 по 2000 г. в «Теватрон» было вложено 260 млн долларов, которые вывели его на новый уровень. Как только швы зарубцевались, началась вторая серия экспериментов (известная как «Стадия II»), призванная проверить, на что способен коллайдер после косметической операции. «Стадия II» принесла множество значительных результатов, в том числе была уточнена масса топ-кварка, дан нижний предел на массу бозона Хиггса и продолжились исследования адронов, содержащих прелестные кварки. Однако интенсивность столкновений на «Теватроне» в первой половине 2000-х оставляла желать лучшего. Верхушка «Фермилаба» осознала, что если не повысить эффективность коллайдера, шансы сделать сколько-нибудь важные открытия до пуска БАК весьма невелики.

К счастью, за время запланированных технических перерывов зимой 2004/05 г. и весной 2006 г. светимость «Теватрона» удалось довести до рекордных значений. Чтобы справиться с этой непростой задачей, инженеры нашли более выгодный способ подключения к «Теватрону» антипротонного накопительного кольца «Ресайклер» (устройства, в котором «складируются» антипротоны). Они, кроме того, применили метод электронного охлаждения, чтобы ужать антипротонный пучок. Эти меры продлили «Теватрону» жизнь еще на несколько лет.

Впрочем, когда БАК достигнет своих проектных мощностей, особой нужды сохранять «Теватрон» не будет. Имея всего 2 ТэВа максимальной энергии, он вряд ли сможет открыть что-нибудь раньше, чем это сделает БАК. Единственный способ серьезно увеличить его энергетический порог - построить дополнительное кольцо, что при нынешнем раскладе почти невероятно. Антипротоны к тому же служат тем балластом, который тормозит темпы повышения светимости по сравнению с протонными коллайдерами (такими как БАК). Протоны с избытком присутствуют в обычном газообразном водороде, а антипротоны на дороге не валяются. В общем, самоотверженно послужив инкубатором целому сонму частиц, «Теватрон», видимо, удалится на покой. Может быть, позже, чем все думали, но удалится. Как в шутку заметил физик Адам Юркевич, «Теватрон» «прошел очень длинный путь, пар от него так и валит»⁹⁸.

Понимая, что перспективы американских лабораторий весьма туманны, выпускники университетов США, видящие себя в физике высоких энергий, возможно, решат проводить больше времени в Европе или, если получится, вести свои исследования дистанционно. У каждого варианта свои недостатки. Постоянные командировки часто становятся врагом счастливой семейной жизни, а если не выиграть грант, то и кошелька. Ученым, планирующим наезжать в Женеву, на всякий случай следует искать свою вторую половинку и друзей среди послов, банкиров и шеф-поваров элитных ресторанов, желательно, материально обеспеченных.

Второй путь - дистанционные исследования - тоже не без изъянов. Когда стажер приезжает в ЦЕРН и своими глазами видит настройку или ремонт оборудования, он получает бесценный опыт обращения с приборами. Но когда он делает первые шаги в науке, сидя в далеком институте, подсоединенном к церновскому «Гриду», до знакомства с «железом» дело может никогда не дойти. Представьте, аспирант ни разу, что называется, не работал руками, а все время лишь проводил компьютерную обработку данных. Потом он получает должность научного сотрудника и продолжает совершенствовать компьютерные программы. Настает время научного руководства. Решится ли какой-нибудь институт или университет взять на работу экспериментатора, который ничего не смыслит в калибровке калориметров и понятия не имеет, как подсоединять электронику?

Современная физика высоких энергий характеризуется высокой централизованностью. Экспериментальные исследования ведутся лишь в считаных научных лабораториях (возможно, не за горами то время, когда их число сократится до одной), детекторы растут в размерах, становятся все изощренней - в таких условиях почти не остается возможности «потрогать» все своими руками. Дни, когда физики сидели в вагончиках по соседству с тоннелями и ждали судьбоносных сигналов, ушли в прошлое.

Картина классического экспериментального исследования, каким оно было в последние десятилетия XX в., сдана в архив. Теперь считается за счастье побывать на сборке или ремонте детектора. В остальном физика высоких энергий сегодня почти не предполагает работы с техникой. Да разве и может быть по-другому, когда непосредственные измерения происходят внутри сверхохлажденных камер, утопленных в землю на десятки метров, чтобы никакое паразитное излучение их не достало? Правда, возникает вопрос: интересно ли будет молодым исследователям сидеть перед монитором - неважно, в Женеве или где-то еще - и изо дня в день запускать программы для статистической обработки данных?

Однако в середине 2010-х любители повозиться с техникой понадобятся снова. Дело в том, что на БАК запланирован капитальный ремонт, после которого он превратится в, как иногда говорят, Сверхбольшой адронный коллайдер. Главная цель этого мероприятия - значительно повысить светимость ускорителя и заставить сталкиваться частицы еще интенсивнее, чем раньше. Когда коллайдер закроется на ремонт, детекторы тоже начнут перебирать. Истощившую свой ресурс электронику, за годы работы выжженную излучением, заменят. Если необходимо, обновят и остальные узлы, чтобы привести детекторы в боевую готовность.

Помимо Сверхбольшого коллайдера физика элементарных частиц может надеяться на другой, не менее потрясающий проект - Международный линейный коллайдер (МЛК). Как понятно из его названия, это будет первый коллайдер, в который будет вовлечено, в том числе финансово, мировое сообщество, а не отдельно США или Европа. Сверхпроводящий суперколлайдер задумывался как международный проект, но реально так им и не стал. В ЦЕРН поступают средства не только из Евросоюза, но они идут исключительно на детекторы (АТЛАС, CMS и т. д.), основную установку ЦЕРН ведет сам. Так что если проект МЛК осуществится, он станет крупной вехой в истории международного научного сотрудничества.

Согласно предварительным эскизам, МЛК будет состоять из двух идентичных линейных ускорителей, стоящих друг напротив друга и заключенных в тоннеле длиной более 30 км. В одном будут разгоняться электроны, а в другом - позитроны. Линейная конструкция выбрана, чтобы избавиться от потерь энергии на синхротронное излучение. В случае бегающих по кругу релятивистских электронов и позитронов с ним совладать невероятно трудно, но разгон по прямой сильно все облегчает. Ускоряться до околосветовых скоростей пучки будут, проходя через «лесенку» из 8000 сверхпроводящих высокочастотных резонаторов (каждый в длину около метра) - обладающих нулевым сопротивлением металлических листов из ниобия, которые сообщают частицам энергию посредством радиоволн. Ступеньками в этой лестнице будут служить ускоряющие потенциалы в 30 млн вольт. На выходе из трубы и электроны, и позитроны будут иметь по 250 ГэВ, то есть всего на столкновение придется 500 ГэВ энергии, часть которой перейдет в массу рожденных частиц. Следящий детектор рядом с точкой столкновения попытается поймать любые осколки, представляющие интерес.

Электрон-позитронные столкновения являются своего рода чистовиком, на котором отчетливо выступают значения масс. Хотя МЛК будет уступать БАК по энергии, он поможет уточнить массы частиц, открытых на более мощном ускорителе. Например, на БАК обнаружат кандидата на роль темной материи. Тогда МЛК его взвесит и известит астрономов, какая доля космоса заполнена этим веществом. А, как известно, зная плотность Вселенной, можно делать выводы о ее будущей судьбе. Проще говоря, из МЛК получится прецизионный инструмент - своеобразная электронная линейка в мире сверхтяжелых частиц.

Проект МЛК пока находится на стадии раннего обсуждения. Под него даже еще не выбрали место, хотя предложения поступали (например, от России). Все переговоры, касающиеся финансов и инженерных планов, организует директор МЛК Барри Бариш, знакомый нам по руководству проектом GEM («Гамма-кванты, электроны и мюоны») в составе почившего ССК и Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией (LIGO). Хотя изначально об идее МЛК многие страны отзывались с большим энтузиазмом, некоторые из них, к великому огорчению Бариша, изменили предварительным договоренностям.

В 2007 г. Конгресс неожиданно сократил свои ассигнования на МЛК до 15 млн долларов. Между тем сначала речь шла о поддержке этой программы на уровне 60 млн. К октябрю того же года выделенные средства почти иссякли, хотя их должно было хватить до 2008 г. В декабрьском пресс-релизе Бариш отметил: «Катастрофические последствия не заставили себя ждать»⁹⁹.

Многие европейцы не скрывают своего раздражения тем фактом, что поддержка научных проектов Америкой приобретает столь зыбкие очертания. «В США одобрение на что-либо дается максимум на год, - говорит физик Венетиос Полихронакос. - Никто не будет воспринимать США как надежного партнера»¹⁰⁰.

С Великобританией, раньше не скупившейся на науку, тоже в последнее время не все гладко. В декабре 2007 г. британский Совет по научно-техническому оборудованию (STFC) выпустил отчет, принесший МЛК печальные известия: «Мы прекращаем спонсировать Международный линейный коллайдер. Мы не видим, как проект в его настоящем виде может быть реализован в разумные сроки»¹⁰¹.

Вероятно, ностальгируя по тем временам, когда британские физики-ядерщики были «чемпионами мира»[31], гитарист группы Queen Брайан Мэй, астрофизик по образованию, подверг критике решение Совета. Выступая на церемонии по случаю присвоения ему должности почетного ректора Ливерпульского университета им. Джона Мура, легендарный музыкант сказал: «По-моему, это большая ошибка, и мы ставим под удар наше будущее на международной научной арене… Без поддержки невозможны научные открытия, которыми наша нация славилась до сегодняшнего дня»¹⁰².

Из-за решений, принятых США и Великобританией, полагать, что МЛК будет непременно построен, по меньшей мере наивно. Многое зависит от того, обратят ли снова состоятельные страны свой взор на чистую науку. В эпоху экономического кризиса без масштабных рекламных кампаний деньги на фундаментальные исследования не получить. Открытия, сделанные на БАК, возможно, убедят сильных мира сего заплатить за еще один коллайдер. Если МЛК не разделит судьбу «Изабелль» и ССК, его сторонникам придется включить все свое красноречие, чтобы доказать, что от точного знания масс частиц зависит будущее всей физики.

Разговоров много, но конкретные проекты коллайдеров мощнее, чем БАК, отсутствуют. Потеряв возможность снимать с ускорителей новые данные, физики лишатся одного из основных способов проверки гипотез о сущности фундаментальных сил и элементарных кирпичиков природы. Астрономическим наблюдениям очень ранней Вселенной предстоит тогда стать главным источником информации о свойствах теорий поля. Кто знает, может быть, именно потомки космического зонда WMAP найдут в подробных картах реликтового излучения ключ к объединению всех взаимодействий.

Ну а пока коллайдеры не канули в Лету, восславим блестящие достижения физики элементарных частиц и пожелаем БАК долгой и плодотворной карьеры. Мы склоняем головы перед гениями Резерфорда, Лоуренса, Вильсона, Руббиа и многих других, помогавших человечеству познать стройную красоту скрытого от посторонних глаз субатомного королевства. Так пусть БАК найдет новые клады и величественные заповедники. Как Шлимана, мечтавшего о Трое, под верхними слоями нас ждут искрящиеся россыпи сокровищ.

Литература для дальнейшего чтения

Специализированные работы помечены звездочкой.

1. Азимов А. Загадки микрокосмоса. От атома до галактики. М.: Центрполиграф, 2004.

2. * Арефьева И.Я., Волович И.В. Машина времени на БАК (на англ.: I.Ya. Arefeva, I.V. Volovich. Time Machine at the LHC) // https://arxiv.org/abs/0710.2696 (действующая ссылка от 3 мая 2010 г.).

3. Вайнберг С. Мечты об окончательной теории. М.: URSS, 2008.

4. Вайнберг С. Первые три минуты: современный взгляд на происхождение Вселенной. Ижевск: РХД, 2000.

5. Гамов Дж. Моя мировая линия: неформальная автобиография. М.: Наука, 1994.

6. Грин Б. Элегантная Вселенная. М.: URSS, 2008.

7. Лауреаты Нобелевской премии: Энциклопедия / Пер. с англ. М.: Прогресс, 1992.

8. Лукаш В.Н., Михеева Е.В. Актуальные проблемы космологии // Наука и жизнь. 2006. №5. С. 102-107.

9. * Лукаш В.Н., Рубаков В.А. Темная энергия: мифы и реальность // Успехи физических наук. 2008. Т. 178. С. 301.

10. Новиков И.Д. Черные дыры и Вселенная. М.: Молодая гвардия.

11. Окунь Л.Б. Физика элементарных частиц. М.: URSS, 2008.

12. Кодзики. Записи о деяниях древности. Свиток 1 / Пер. со ст.-яп. Е.М. Пинус. СПб.: Кристалл, 2000.

13. Сегре Э. Энрико Ферми - физик. М.: Мир, 1973.

14. Сиборг Г., Корлисс У. Человек и атом. М.: Мир, 1973.

15. Фейнман Р. Характер физических законов. М.: Наука, 1987.

16. Хокинг С. Мир в ореховой скорлупке. М.: URSS, 2008.

17. * Эйнштейн А. Работы по теории относительности / Предисл. С. Хокинга. М.: Амфора, 2008.