Читать книгу "Почему мы существуем? Величайшая из когда-либо рассказанных историй - Лоуренс Краусс"

Физик Виктор Вайскопф, четвертый генеральный директор ЦЕРН в 1961–1966 гг., однажды сравнил большие ускорители того времени с готическими соборами средневековой Европы. В контексте ЦЕРН и БАКа это сравнение звучит особенно интересно.

Готические соборы строились на пределе, а то и за пределами технических возможностей своего времени и требовали создания новых строительных технологий и новых инструментов. Сотни или даже тысячи лучших мастеров из десятков стран возводили их на протяжении многих десятилетий. По сравнению с ними любые уже существовавшие на тот момент здания казались карликами. И весь практический смысл их сооружения состоял в том, чтобы восславить Господа.

БАК представляет собой самую сложную машину из всех когда-либо построенных человеком, и для его сооружения потребовалось разработать новые строительные технологии и новые инструменты. Чтобы создать ускоритель и работающие на нем детекторы, потребовались почти два десятилетия усилий тысяч дипломированных ученых и инженеров из более чем сотни стран, говорящих на десятках языков и происходящих из обществ, исповедующих по крайней мере столько же религий. Масштаб этого сооружения затмевает размеры всех машин, построенных до него. И весь практический смысл их сооружения состоял в том, чтобы восславить и исследовать красоту природы.

С этой точки зрения и соборы, и коллайдер представляют собой памятники лучшим, возможно, качествам человеческой цивилизации – способности и готовности придумывать и создавать объекты таких масштабов и такой сложности, что требуется сотрудничество множества отдельных людей со всего света, с целью превратить наше изумление и восхищение устройством космоса в нечто конкретное, что может в будущем улучшить жизнь человека. И коллайдеры, и соборы представляют собой несравненные по величию творения, прославляющие опыт человечества в разных областях. Тем не менее я считаю, что БАК побеждает в состязании с соборами, и его успешное строительство за два десятилетия наглядно демонстрирует, что XXI век пока не лишился культуры и воображения.

И тут мы наконец возвращаемся к тому, что привело нас к 4 июля 2012 г.

К 2011 г. БАК находился в крейсерском режиме, как выразился один из руководителей ЦЕРН. Количество данных, собранных к октябрю того года, уже в четыре миллиона раз превышало то, что было получено при первом запуске в 2010 г., и в тридцать раз – то, что было получено к началу 2011 г.

В этот период сбора данных, о которых физики мечтали сорок лет, по сообществу стали разлетаться слухи, причем многие из них исходили от самих экспериментаторов. Я работаю по совместительству в Австралийском национальном университете в Канберре, а Международная конференция по физике высоких энергий должна была состояться в июле 2012 г. в Мельбурне. Там работает много сотрудников БАКа, и во время своих визитов я постоянно слышал, как экспериментальные данные исключают все больше и больше областей из диапазона возможных масс для бозона Хиггса.

Многих экспериментаторов хлебом не корми, дай только доказать, что теоретики не правы. Так было и в этом случае. Одна участница эксперимента возбужденно сообщила мне меньше чем за полгода до той встречи, что почти весь диапазон возможных масс частицы Хиггса уже проверен и частицы не обнаружено, остался лишь небольшой участочек между 120 и 130 массами протона. Она считала, что к июлю и эту область удастся проверить и исключить. Я, как человек, не слишком веривший в существование бозона Хиггса, не расстроился при этом известии. Более того, я готовил статью, в которой объяснял, почему бозона Хиггса может и не существовать в природе.

Ситуация стала интереснее 5 апреля, поскольку энергию частиц пучка в системе центра масс на БАКе немного увеличили – до восьми тысяч энергий покоя протона. Это, естественно, означало расширение возможностей для открытия новой частицы. К середине июня было объявлено, что руководители двух главных экспериментов и генеральный директор ЦЕРН не приедут в Мельбурн, но представят результаты дистанционно в режиме телеконференции утром 4 июля в главном конференц-зале ЦЕРН – в том же помещении, где Руббиа в свое время объявил об открытии W-частиц.

4 июля я был на физическом семинаре в Аспене (штат Колорадо). Учитывая важность предстоящего заявления, физическое сообщество организовало там экран для удаленной презентации в онлайн-режиме, так что в час ночи мы все могли усесться перед экраном и наблюдать, как творится история. В темном зале Аспенского центра собрались около пятнадцати человек – по большей части физики, хотя было там и несколько журналистов, включая и Денниса Овербая из The New York Times; он знал, что ему предстоит ночная работа. Как оказалось, ночная работа предстояла и мне. Times заказал мне очерк для следующего выпуска еженедельной научной рубрики, если все пойдет, как ожидалось.

Затем началось шоу, и следующие примерно сорок пять минут докладчики от коллабораций представляли данные с обоих больших детекторов, убедительно демонстрировавшие существование новой элементарной частицы с массой около 125 масс протона. После первоначальной аварии в 2009 г. БАК и оба детектора работали безукоризненно. В первые месяцы меня и многих моих коллег поражали безупречно чистые результаты, которые выдавали детекторы по известным фоновым процессам. Так что нас не удивило, что при появлении в картине чего-то нового эти детекторы смогли это новое обнаружить, несмотря на невероятно сложную среду, в которой им приходилось работать.

Но этого мало. Новая частица была обнаружена именно в тех каналах распада, которые предсказывались для бозона Хиггса из Стандартной модели. Соотношение распадов с образованием фотонов (через промежуточные истинные кварки или W-частицы) и распадов с образованием частиц, таких как электроны (через промежуточные Z-бозоны), тоже более или менее соответствовало предсказанному, как и доля событий с образованием новой частицы в протон-протонных столкновениях. Среди миллиардов и миллиардов столкновений, проанализированных двумя детекторными коллаборациями на тот момент, было обнаружено около пятидесяти потенциальных кандидатов в бозоны Хиггса. Для более уверенной идентификации предстояло провести еще немало тестов, но, с другой стороны, если эта штука крякает, как бозон Хиггса, и плавает, как бозон Хиггса, то это, вероятно, бозон Хиггса и есть. Свидетельств в пользу этого оказалось достаточно, чтобы в октябре 2013 г. – в первый же год после официального объявления об открытии – Франсуа Энглер и Питер Хиггс были удостоены Нобелевской премии.

В феврале 2013 г. БАК закрыли, чтобы доработать установку и запустить ее, наконец, на расчетной энергии и интенсивности пучка. К последним неделям перед выключением в накопителях ЦЕРН хранилось свыше ста петабайт данных – больше информации, чем можно записать на 100 млн CD-дисков. Новые результаты продолжали поступать из анализа данных, которые не были полностью обработаны до первого официального объявления (включая и соблазнительные намеки на обнаружение возможной новой и неожиданной тяжелой частицы, в шесть раз тяжелее бозона Хиггса; эти намеки исчезли как раз ко времени отправки этой книги в печать).

Когда речь идет о настоящем открытии, чем больше у вас данных, тем лучше выглядят результаты, тогда как аномальные результаты, как правило, исчезают со временем. На этот раз все выглядело так хорошо, что было даже немного неловко. При сравнении с результатами наблюдений пяти различных предсказанных каналов распада бозона Хиггса на фотоны, Z-частицы, W-частицы, тау-частицы (самый тяжелый из известных родичей электрона) и частицы, содержащие b-кварки, предсказания Стандартной модели в отношении частицы Хиггса, без всяких дополнительных подгонок, демонстрировали поразительно хорошее совпадение.