Сайты партнеров




GEO приглашает

26 октября в самом сердце Москвы, в доме Пашкова, журнал Forbes отметил 100-летний юбилей. Мероприятие стало финальным в череде торжеств, посвященных юбилею легендарного бизнес-издания по всему миру


GEO рекомендует

Korean Air названа лучшей авиакомпанией  для бизнес-путешественников по версии Russian Business Travel & Mice Award. Крупнейший южнокорейский авиаперевозчик выполняет рейсы в Москву, Санкт-Петербург, Иркутск и Владивосток


Фабрика элементарных частиц

текст:
ЦЕРН

У Женевского озера, среди идиллических пейзажей Пэи-де-Жекс, кипит бурная, загадочная для непосвященных работа. Изо дня в день по узким улочкам местных деревушек, намертво блокируя движение, ползут многотонные грузовики. Они подвозят к ангарам, выстроенным прямо среди полей, гигантские синие трубы, серебристые колпаки которых заставляют вспомнить о ракетах стратегического назначения.

Но еще более удивительные вещи здесь, на границе Франции и Швейцарии, происходят под землей. На глубине 175 метров в 27-километровом кольцевом туннеле и в прилегающих к нему павильонах, каждый размером с неф готического собора, растет установка невиданных до сих пор масштабов. Кольцевой ускоритель элементарных частиц, который на долгое время, если не навсегда, останется самым мощным среди себе подобных. Физики в шутку называют его Властелином колец.

Большой адронный коллайдер (LHC) строит европейский исследовательский центр физики элементарных частиц – ЦЕРН (CERN, Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire). С его помощью сообщество ученых, занимающихся физикой высоких энергий и космологией, квантовой механикой и теорией струн, намерено решить задачу вселенского масштаба – пролить свет на загадку возникновения Вселенной и узнать, какие внутренние силы удерживают ее от распада.

Для этого они работают с элементарными частицами, квантовыми полями и всякими странными силами (см. Теорию элементарных частиц на стр. 77). И разрабатывают теории, мало понятные даже их коллегам-физикам, занимающимся более «приземленными» проблемами.

В LHC ученые намереваются сталкивать протоны – ядра атомов водород а, а на протяжен ии одного месяца в году еще и ядра атомов свинца, причем со скоростью, близкой к скорости света – почти 300 000 км/сек. При этих столкновениях в мельчайшем объеме пространства высвобождается гигантский объем энергии и рождается фейерверк частиц, разлетающихся во всех направлениях.

Подвергая анализу эти «искры», экспериментаторы надеются глубже проникнуть в глубины материи и разрешить некоторые из основополагающих вопросов естествознания. Почему частицы, из которых образованы звезды, планеты и живые существа, обладают массой? Верно ли, что за это отвечает бозон Хиггса (или просто «хиггс», частица, названная по имени физика Питера Хиггса)? Из чего состоит темная материя – та самая таинственная субстанция, на долю которой приходится почти 25% массы Вселенной и о свойствах которой пока можно только догадываться? (Из чего сделан Космос см. GEO No.3/2005.)

Есть ли кроме трех пространственных и одного временного, другие измерения, в которых мы чувствуем себя как дома? Почему во Вселенной мы наблюдаем сегодня исключительно материю? И куда исчезла антиматерия? Ведь при Большом взрыве частицы и античастицы должны были возникнуть в равных количествах.

Идея создания LHC возникла почти 30 лет назад, а 13 лет назад этот проект века, который обойдется в 6 млрд евро, был наконец-то утвержден. Сейчас строительство вошло в завершающую фазу: в мае 2008 года здесь должны столкнуться первые, еще не самые энергичные частицы, а позже установка начнет работать на полную мощность. И поскольку долгожданный момент приближается, ученые ЦЕРНа охвачены лихорадочным волнением. Они ожидают старта проекта с таким же нетерпением, с каким дети ждут Рождества.

Ставки высоки. Запуск LHC ознаменует собой начало «золотого века физики элементарных частиц» – это предсказывает Франк Вильчек, физик, лауреат Нобелевской премии 2004 года. Его коллега Шон Кэрролл из Калифорнийского технологического института говорит о «решающих переменах в нашем понимании устройства Вселенной».

В штаб-квартире Исследовательского центра в Женеве и во всех филиалах кипит работа. Тысячи ученых по всему миру обслуживают громадную машину. Конференции и заседания сменяют друг друга. Из России, Германии, США и других стран прибывают комплектующие для огромных детекторов, которые должны регистрировать частицы, образующиеся при столкновениях. Приезжают специалисты – устанавливать детали и налаживать измерительные системы. Номера в ЦЕРНовском отеле забронированы на месяцы вперед, очереди в кафетерии все длиннее...

Ганс Гоффман один из немногих, кто во всеобщей суматохе умудряется сохранять хладнокровие, – качество, приобретенное с опытом. Немецкий физик работает в Женеве с 1972 года. Когда-то он принимал участие в эксперименте, который в 1984 году принес Нобелевскую премию бывшему директору ЦЕРНа Карло Руббиа – за открытие переносчиков так называемого слабого взаимодействия. Гоффман стоял у истоков строительства LHC.

Но стоит заговорить об установке – и даже обычно спокойный Гоффман воодушевляется. Ведь LHC должен пролить свет на неизведанные механизмы взаимодействия в области высоких энергий. Энергия ускоренных частиц будет в семь раз выше, чем у мощнейшего на сегодняшний день кольцевого ускорителя «Теватрон» в американском штате Иллинойс. То есть, энергия одного протона будет сопоставима с кинетической энергией летящего комара, но локализована она будет в объеме, размер которого в миллиарды раз меньше комариного. Такая мощная концентрация энергии приводит к возникновению условий, аналогичных первым долям секунды после Большого взрыва – рождения Вселенной. Поэтому LHC – это не только микроскоп, различающий сверхмалые структуры, но и машина времени, позволяющая заглянуть в далекое прошлое нашего мира.

Кроме того, LHC работает с потоком частиц, в сотню раз более плотным, чем у прежних ускорителей (физики называют это свойство «светимостью»). Всякий раз при запуске ускорителя 300 млрд протонов, разделенные на 3000 сгустков («банчей») с расстоянием между ними по 7,5 м, будут нестись навстречу друг другу по двум кольцам, пересекающимся в четырех точках, где установлены детекторы. Чем плотнее стиснуты друг с другом частицы в банче, тем выше вероятность их встречи в критических точках, тем больше информации получат ученые. Для них светимость никогда не бывает слишком высокой. Но ее значения в LHC достаточны для того, чтобы, по словам Ганса Гоффмана, «увидеть такое, чего мы еще не видели никогда».

Чтобы добиться рекордного результата, ученым и инженерам предстояло разработать совершенно новые технологии. И прежде всего компоненты кольцевого ускорителя – мощные магниты, заставляющие частицы двигаться по круговой траектории. Работа над ними продвигалась так медленно, что еще пять лет назад успех проекта был далеко не очевиден.

Павильон SM18 расположен в нес кольких со тнях ме тров от штабквартиры ЦЕРНа на французс кой территории. Все 1746 трубообразных составных частей кольца LHC (каждая 15 м в длину и весом 35 т) прошли здесь боевое испытание. Ход работ запечатлен на табличке над воротами: «18.5.2004 – No 308; 7.3.2005 – No 616, 20.2.2006 – No 1000; 27.11.2006 – No 1232»...

Внутри по гладкому полу павильона со странным металлическим жужжанием движется оранжевая платформа – она перевозит магнит. Команда техников управляет ее движением с помощью электронной системы, и все же, проходя поворот, машина случайно задевает металлическую конструкцию. Минутная остановка, потом перевозку продолжают с особой осторожностью. Цилиндры – каждый стоимостью примерно 600 000 евро – не переносят ударов и тряски. И вот бесценный груз доставлен к испытательной установке. Она выглядит как беспорядочное нагромождение труб, котлов, кабелей и насосов высотой с дом. Здесь магнит бережно сгружают с платформы.

Когда техники снимают передний серебристый защитный колпак и подключают устройства для тестовых испытаний, становится видно, что конструкция, внешне похожая на водопроводную трубу, напичкана массой кабелей и трубопроводов системы охлаждения. Посередине проходят две трубы из стали, каждая толщиной 5 см – это и есть сердце ускорителя. Уже скоро по ним понесутся протоны и ядра атомов свинца.

Чтобы удержать на нужном круговом курсе частицы, мчащиеся почти со скоростью света, необходимы мощные магнитные поля. В ускорителе они выполняют ту же задачу, что и цепи карусели – удерживают частицы от разлета. Детали этой конструкции с 1995 года разрабатывал Оливер Брюнинг. Этот долговязый немец и его коллеги произвели расчеты, сделали компьютерную модель и пришли к выводу: чтобы удерживать протоны внутри кольца LHC, необходимо магнитное поле с индукцией 8 Тл (Тесла) – это примерно в 180 тыс. раз больше, чем магнитное поле Земли. «С самого начала было ясно, что таких величин нельзя достичь с помощью обычных магнитов», – усмехается Брюнинг.

Решением проблемы стала сверхпроводимость. Некоторые материалы (в ЦЕРНе выбрали сплав ниобия и титана) при низких температурах теряют электрическое сопротивление. И ток без всяких потерь течет по таким проводам. Это позволяет использовать токи высокой плотности, которые образуют сильные магнитные поля. «LHC – первая установка, которая рассчитана на использование всех возможностей по максимуму», – говорит Брюнинг. Но это происходит лишь при температуре минус 271,3°С, всего на два градуса выше абсолютного нуля. Даже на бескрайних просторах космоса немного теплее. Охлаждение мощного магнитного кольца до ультранизких температур с помощью жидкого гелия – уже гигантское достижение. Так что знайте: самый большой и мощный холодильник в мире находится в ЦЕРНе!

«Если в двух словах, то наша задача сводится к тому, – объясняет Оливер Брюнинг, – чтобы провести через холодную, как космический лед, дыру экстремально горячий объект. Да так, чтобы он не коснулся стенок». Каждый пучок протонов обладает адской температурой, заключенной в нем энергии достаточно, чтобы расплавить полтонны меди. Кто-то подсчитал, что это энергия 400-тонного железнодорожного состава, разогнавшегося до скорости 200 км/ч.

Работающие на пределе технических возможностей устройства требуют ювелирной точности. Одна ошибка в обмотке магнитных катушек (а это тысячи и тысячи тонких микронных ниобийтитановых нитей) или крошечная металлическая стружка рядом со сверхпроводящим кабелем могут привести к катастрофе. Поэтому прежде чем опустить чувствительные конструкции в туннель, техники проводят испытания: охлаждают их до необходимых температур и вгоняют в катушки полный ток – 12 тысяч ампер.

Очередное Испытание законч илось, Геральд Фе ллут и его со труд ники отправляют сос тавн ые блоки LHC под землю. Вечереет. Труба номер 1169 зависла над шахтой PMI2, которая ведет к туннелю. Если заглянуть в шахту, видно: внизу на 50-метровой глубине как муравьи снуют техники. Они готовят платформу для дальнейшей транспортировки.

Крановщик медленно опускает драгоценный груз и останавливает его в 10 м от дна туннеля. Там трубу осторожно принимают и кладут на платформу. «В нашем распоряжении транспорт для шести блоков, но сегодня под землю спустят меньше», – объясняет Феллут. Четыре трубы, одна за другой, исчезают в шахте. В 18.50 наверху закончится рабочий день. А внизу начнется ночная смена.

Это медленная монотонная работа. Машины ползут по бетонным туннелям со скоростью 3 км/ч. Только при таком черепашьем темпе можно уберечь чувствительные приборы от сотрясений. Маневрировать 27-метровой платформой непросто: в туннеле рядом с уже установленными системами охлаждения и фрагментами LHC для проезда остается полоса шириной всего 1,35 м. Электронная система управления ведет узкую платформу по нарисованной на полу белой полосе. Во время этого медленного, изматывающего рейса оператор должен неотлучно находиться на платформе – в экстренных случаях управлять придется вручную.

Сегодня ценный груз под конвоем преодолевает всего 5 км. Обычно на это уходит два с половиной часа. Это если без накладок, но они случаются часто. А иногда рейс растягивается на 6 часов, если нужно добраться до дальних секторов 27-километрового туннеля ускорителя. Бесперебойная отправка чувствительных блоков под землю требует виртуозного планирования, ведь машинам никак не разминуться друг с другом в узком туннеле. Кроме самих труб, образующих ускоритель, на глубину нужно доставить сотни мелких магнитов, компоненты системы охлаждения, электрооборудование – общий вес 80 000 т. Чтобы не произошел сбой, схему перевозок в ЦЕРНе рассчитывают на компьютерах.

Когда трубы, наконец доставлены к пункту назначения, перед техниками встает новая задача. Сначала нужно установить 35-тонные колоссы – с точностью до миллиметра. А затем состыковать их друг с другом: соединить ускорительные каналы, гелиевые трубопроводы, изоляционные щиты, множество проводов, сверхпроводящие кабели... Подключение каждого элемента – это в среднем 60 трудоемких операций.

И выполнять их нужно на совесть. Любая ошибка в спайке повышает электрическое сопротивление, а при силе тока в 12 000 ампер малейшее сопротивление приведет к сильному нагреву. Что в свою очередь требует усиленной работы охладительных систем, поглощает энергию и стоит денег. Один неплотно сваренный шов в системе охлаждения (а их сотни тысяч) – и в ускорителе нельзя будет организовать гонку протонов.

Поэтому инженеры с облегчением перевели дух, когда в ноябре 2006 года в кольце LHC был установлен первый из 8 секторов. Времени на передышку нет, график настолько плотный, что никаких нестыковок быть не должно – на остановки просто не предусмотрено времени. Чтобы справиться с такими объемами, в последние месяцы работать приходится в нескольких секторах ускорителя одновременно.

Суматох а царит не только в тунеле, но и в тех четырех зонах кольца, где должны сталкиваться друг с другом встречные потоки. Здесь устанавливают детекторы, которые перехватят фейерверк частичек, рожденных в ходе столкновения протонов. Каждый детектор – не просто аппарат размером с многоквартирный дом: он тяжелее Эйфелевой башни.

В чистом поле неподалеку от французского местечка Сесси возвышается павильон, похожий на авиационный ангар. Здесь стоит детектор CMS (Compact Muon Solenoid) и оборудован один из входов в подземное царство. В соответствии с французским горным законодательством, перед спуском на лифте на стометровую глубину нам в обязательном порядке выдают каски. Внизу нас встречает молодой физик Кристоф Шефер и ведет по бетонным гротам мимо рядов полок, на которых будут установлены компьютеры, а пока из них торчат только пучки проводов. Мы спускаемся по металлической лестнице, потом долго шагаем по узкому проходу, минуем множество поворотов – и наконец перед нами открывается подземный экспериментальный павильон. «Добро пожаловать в нашу комнатушку, не стесняйтесь!» – радушно приглашает Шефер.

Шутка удачная. Абсолютно пустая выкрашенная белой краской «комнатушка» впечатляет своими размерами: 54 м на 27 м, высота потолков – 24 м. Как это ни парадоксально, но чем мельче структуры материи, за которыми охотится современная физика высоких энергий, тем более циклопических размеров становятся приборы, которые должны их улавливать.

Павильон еще ничем не загроможден, поскольку для строительства детектора CMS ученые избрали необычную стратегию. Три остальных измерительных прибора в кольце LHC монтируются под землей, а этот соберут наверху, там протестируют, частично разберут и с помощью специального крана отдельными большими сегментами спустят под землю. «Если при этом будет допущена хотя бы малейшая оплошность, – говорит Кристоф Шефер, – конец всей миссии CMS».

Пока детектор, уже практически собранный, стоит на земле. Красно-серебристый аппарат высотой с четырехэтажный дом, весящий 12 500 т, сконструирован весьма необычно. Аппарат «нарезан» на ломтики, которые монтируются отдельно, и соединяются только на заключительном этапе (см. схему на стр. 79). Вокруг тонкой стальной трубы в центре детектора, где столкнутся частицы, «луковичными слоями» расположены измерительные приборы. В самой глубине – 10 миллионов тончайших кремниевых полосок. Они смогут зафиксировать траектории заряженных частиц, например, электронов, с точностью до 0,05 мм. Далее 80 тыс. чистейших кристаллов вольфрамита свинца измерят энергию определенных частиц. А тысячи квадратных метров плоских газонаполненных дрейфовых камер зарегистрируют траектории родившихся мюонов – частиц, электрически заряженных подобно электрону, но в 200 раз тяжелее.

На детектор CMS возлагают большие надежды. Предполагается, что с его помощью удастся – правда, косвенно – доказать существование бозонов Хиггса и напасть на след скрытых измерений и носителей темной материи.

Ганс Гоффман координирует вклад ЦЕРНа в международный детектор CMS. В отличие от Большого адронного коллайдера детекторы создаются не под руководством женевского центра, а в результате кооперации научных институтов из разных стран. ЦЕРН здесь – лишь один из «подрядчиков».

Когда Гоффман, стоя перед CMS, перечисляет, из каких стран прибыли компоненты, это звучит как цитата из списка государств – членов ООН. Мощные стойки для машины поставили Китай и Пакистан. В изготовлении газонаполненных мюонных детекторов участвовали среди прочих Белоруссия, Россия, Колумбия, США, Южная Корея. Над электронной камерой работали в Мексике, Новой Зеландии, Финляндии и Германии. В общей сложности 2000 ученых из 37 стран вложили в этот проект свои знания и силы.

«Невероятно интересное и интеллектуально стимулирующее сотрудничество, – говорит Гоффман. – Израильтяне слаженно работают вместе с иранцами, и между ними не возникает никаких конфликтов». Возможно, наука, как музыка, способна преодолевать все границы и барьеры?

Ключ к успеху – полная прозрачность информации. «У нас все открыто, любые данные доступны», – утверждает Гоффман. Вот она, модель всемирного научно-технического сотрудничества. Почему это не удается повторить в медицине? Или в изучении климата? По крайней мере, здесь положительный опыт работы над поражающим своими масштабами проектом уже накоплен. Гоффман говорит: «Надо ставить амбициозные цели, ценить каждого сотрудника, и тогда можно сделать невероятное».

Но и финансирование такому проекту необходимо соответствующее. К сожалению, по словам Гоффмана, условия таковы, что жить на церновские зарплаты рядовому сотруднику почти невозможно. Хотя техников из восточноевропейских стран, например из России, такие доходы устраивают.

Проблема возникла в 1994 году. Тогда политики из 20 европейских стран – участниц ЦЕРНа договорились о строительстве LHC. Но поставили условие: к 2010 году персонал исследовательского центра не должен превышать 2000 сотрудников. Ученые согласились, поскольку во что бы то ни стало хотели осуществить этот проект. Более того, чтобы не отказали в финансировании, они в своих отчетах занижали предполагаемые расходы.

Сейчас с ЦЕРНом сотрудничают около 7000 специалистов со всего мира. И все уверены: проект функционирует только благодаря тому, что физики, инженеры и техники из иностранных фирм работают значительно больше, чем предусмотрено их контрактами.

Тем не менее, к тому моменту, когда ученые запустят в кольца первые протоны, CMS-детектор еще не будет готов. Это не такая уж большая проблема, подчеркивают исследователи. Даже без мюонной камеры можно делать важные измерения. А после первых недель эксплуатации машину отключат и доустановят недостающие компоненты.

Детектор ATLAS будет исследовать тот же физический феномен, что и CMS, но несколько в ином ключе. Измерительные приборы ATLAS функционируют частично по другим принципам и могут «видеть» другие процессы. Но в общем оба огромных дорогостоящих детектора решают сходные задачи. Зачем же они понадобились? Чтобы иметь возможность сравнивать данные и таким образом получать более точные результаты.

Физики высоких энергий привыкли мыслить масштабно. Но ATLAS – 46 м в длину, 25 м в высоту – превзошел все детекторы, которые были построены прежде. Для него оборудован подземный зал величиной с огромную станцию метро.

Когда по одной из верхних галерей вы обходите вокруг этого великана и заглядываете внутрь, вашему взгляду открывается хитросплетение труб, соединений, металлических распорок... Из глубины детектора поднимается мощное колесо – это часть мюонного детектора, достающая почти до потолка. Техники на площадках на фоне гигантского диска – вроде букашек на подсолнухе.

Швейцарец Петер Йенни представляет проект ATLAS. «Одно только подключение всех проводов – невероятно сложная задача», – говорит он, показывая на паутину кабелей, опутывающих детектор. От чисел, которымии сыплет Йенни, может закружиться голова: протоны будут сталкиваться друг с другом каждую 25-миллиардную долю секунды, при каждом столкновении будет образовываться около 1000 частиц, чтобы пройти через весь детектор, им понадобится 30 наносекунд... Осколки предыдущего столкновения будут еще внутри прибора, а из центра уже полетит новая порция частиц. Миллионы датчиков за одну секунду выдадут миллиарды замеров.

Сохранить всю эту информацию немыслимо. «Следует очень быстро произвести большой предварительный отбор, – говорит Йенни. – Из миллиарда событий в секунду мы можем сохранить около 100. Все остальное – на выброс». Выбрать с помощью специальных алгоритмов те процессы, которые содержат наиболее полезную информацию – особое искусство.

Но даже фиксация «каких-то ста событий в секунду требует гигантского объема памяти. Каждая запись занимает несколько мегабайт. Для всех экспериментов это составляет гигабайт в секунду, а за год таким образом накапливаются от 10 петабайт до 15 петабайт (миллионов гигабайт). Если записать эту информацию на обычные CD-диски и сложить их, получилась бы башня высотой 20 км.

Чтобы контролировать этот невероятный информационный поток и предоставить ученым со всего мира к нему доступ, в ЦЕРНе создают глобальную вычислительную сеть на основе Grid-технологий. Около ста компьютерных центров в институтах, расположенных на разных континентах, образуют единый «сверхкомпьютер» – такова модель системы глобальной обработки данных, которой прочат большое будущее.

Встраивать магниты, инсталлировать газонаполненные камеры, тянуть провода, налаживать компьютеры, писать софт… «Все это должно быть хорошо срежиссировано», – говорит Петер Йенни. А весь проект напоминает ему исполинский трехмерный пазл.

Как же все это работает? Как руковод ить прое ктом , в котором заде йствов аны бо лее 2000 со трудн иков , рассеянных по всему свету? Этот вопрос исследует Карин Кнорр Цетина, профессор социологии из Германии. Много лет она и ее коллеги приезжают в ЦЕРН, беседуют с учеными, участвуют в совещаниях – и сравнивают «научную культуру» в области физики высоких энергий и молекулярной биологии. Ключевым принципом работы ЦЕРНа профессор Кнорр Цетина считает самоорганизацию: «Иерархически или формально просто нельзя эффективно контролировать процессы принятия технических решений в таком огромном и сложном предприятии».

Авторитарная система, как выяснилось, не работает уже на уровне организации экспериментов. Участвующие в проекте институты не подписывают друг с другом никаких договоров, но заключают memoranda of understanding, меморандум о договоренности. Партнеры исполняют взятые на себя обязательства, но не могут подавать друг на друга в суд. Тем удивительнее успех всего предприятия.

«В основе самоорганизации, – говорит Кнорр Цетина, – интерес к общему делу». Люди, увлеченные своей работой, ведут жаркие споры. В них и рождается истина. Отчетов начальству не отправляют, директив сверху не получают. Дискуссии рождаются в ходе эксперимента. Так возникает кооперация и коллективное самосознание. Каждый ученый ощущает себя частью целого. «Многие эксперты почти одержимы проектом», – утверждает Кнорр Цетина.

Но для дискуссий, играющих столь важную роль в экспериментах, необходимо время. И место, где можно в уютной атмосфере посидеть с коллегами за чашкой кофе, обменяться последними новостями, обсудить тот или иной вопрос. Такое место – знаменитый церновский кафетерий. Как здесь говорят, кантина. Он открыт с 7 часов утра до полуночи. Обычно в кантине не протолкнуться: утром, прежде чем отправиться на рабочее место, сюда заглядывают выпить кофе с круассаном; в середине дня встречаются в очереди за обедом (блюда в меню носят «профильные» названия – «Протон», «Нейтрон», «Открытие»). Вечером сюда приходят выпить по кружке пива.

Здесь планета ЦЕРН как на ладони. Ее обитатели, преимущественно лица мужского пола, одеты небрежно. Некоторые приходят обедать с детьми. В хорошую погоду молодежь, чаще всего студенты, собираются оживленными группами на террасе, с которой открывается великолепный вид на Монблан.

Вот какой-то человек, по виду светило теоретической физики (а скорее всего не только по виду) сосредоточенно пытается установить шаткий столик на выщербленном полу так, чтобы кофе не выплескивался из чашки... Рядом молодой человек уставился в экран ноутбука, наверное готовит публикацию или доклад. Даже после ухода на пенсию сюда продолжают приходить – посидеть, поболтать со закомыми, почитать газеты.

Нас пригласил в кантину Джон Эллис. здес ь он спасается от бес конечн ых телефон ых звон ков , да и в кабинете, заваленном кипами бумаг, все равно нет места. 60-летний седобородый англичанин с длинными волосами и в больших очках похож на типичного теоретикаинтроверта. Но не такой уж он на самом деле чудак и изъясняется отнюдь не только посредством дифференциальных уравнений. Много лет Эллис был ведущим сотрудником отдела теоретической физики ЦЕРНа. Его специализация – суперсимметрия. Проект LHC он сравнивает с отплытием Колумба в Новый Свет. У физиков свои представления о terra incognita, но как далеко лежит эта земля и правильно ли рассчитан курс, они предугадать не могут.

Предполагается, что первым островком будущего физического континента станет бозон Хиггса, который ученые надеются зафиксировать. Без этой частицы Стандартная модель, которая описывает построение материи из относительно небольшого набора основных элементов и сил, остается неполной. Да, эта модель с честью выдержала множество испытаний, а предсказания теоретиков порой совпадали с результатами экспериментов с точностью до девятого знака после запятой. Но механизм, объясняющий, каким образом элементарные частицы приобретают массу, в этой изощренной мыслительной конструкции до сих пор рассматривается на уровне гипотезы. Именно масса отвечает за инертность основных кирпичиков мироздания, включая атомные ядра и вращающиеся вокруг них электроны. Считается, что за появление у частиц инерции отвечает бозон Хиггса или попросту – хиггс.

Но как представить его себе? Физики описывают хиггс с помощью некоего скалярного поля и поэтому обращаются с ним так же, как с электромагнитным полем. Непросто это себе вообразить, но, согласно концепции, такие поля пронизывают все пространство.

Почему же тогда говорят не о поле, а о бозоне Хиггса – частице? С точки зрения тех, кто занимается изучением квантовой физики, элементарная частица – не что иное, как маленький участок поля, в котором сконцентрирована определенная энергия. Соответственно, хиггс – это возбужденное состояние поля Хиггса. Если представить поле в виде натянутой пленки, то бегущая по ней волна возмущения будет частицей.

Как именно поле Хиггса сообщает частицам материи массу, Джон Эллис объясняет следующим образом: «Когда бежишь по грязи, она прилипает к ботинкам, которые тяжелеют и замедляют движение». В этом примере грязь – поле Хиггса. Чем больше ее прилипнет к ботинкам, тем медленнее бег.

Различные частицы в метафоре Эллиса обладают разными массами, потому что одни – например, верхний кварк – носят военные сапоги, к которым земли прилипает больше, чем к легким кроссовкам электрона. И все же в теории Хиггса есть недостаток: «Она не объясняет, почему частицы носят разную обувь», – с сожалением признает ученый.

Тем, кто знаком с гидродинамикой или просто хоть раз пробовал хлопать в ладоши под водой, можем предложить другую физическую аналогию явления, открытого Хиггсом. Этот ученый предположил, что все пространство заполнено неким конденсатом из бозонов. И эта тяжелая (но не вязкая) жидкость как бы обтекает все частицы, двигающиеся в ней. Соответственно, когда мы сообщаем телу некоторую скорость, в бескрайнем море бозонов Хиггса появляется течение, мешающее телу мгновенно изменять направление и абсолютную величину скорости своего движения.

И что же, стоит только включить LHC, пару недель вести на нем исследования, и мы получим подтверждения или опровержения этих загадок? К сожалению, все гораздо сложнее. «Не стоит тешить себя надеждой, что мы увидим, как в детекторе пролетают частицы с транспарантами, на которых большими буквами написано: «Привет, ребята! Я хиггс! – говорит Джон Эллис. – Если повезет, обнаружим продукты его распада. Но мы и представить себе пока не можем, какими они будут».

Дело в том, что сам хиггс, в зависимости от того, какой массой он обладает, распадается по-разному. Или на два фотона, или (если он тяжелее) – на два электрона и два мюона, или на кварки или другие частицы. «Наши детекторы должны быть готовы к любой неожиданности», – говорит Эллис. Понадобится время, пока первооткрыватели новых земель смогут обнаружить и досконально изучить «остров Хиггса"

Доказательство существования этой частицы стало бы настоящим триумфом. И все же физики были бы разочарованы, если бы единственным итогом сверхсложного эксперимента ЦЕРНа стало только одно это, пусть и важнейшее открытие. Они уже мечтают о других, до сих пор неизвестных частицах и силах, об открытии архипелага или даже целого континента за пределами Стандартной модели.

Название Нового континента претендует и так называемая су персимметрия (SYSY), в некотором роде – зазеркалье современной физики. Есть гипотеза: для каждой известной частицы существует противоположность с несколько видоизмененными свойствами. Если это верно, то число фундаментальных кирпичиков, из которых составлен мир, автоматически удваивается. Но в отличие от частиц материи и антиматерии, которые при встрече молниеносно аннигилируют, превращаясь в конце концов в фотоны света, нормальные частицы и частицы SYSY могут спокойно уживаться друг с другом.

Концепция суперсимметрии привлекательна тем, что ее подтверждение позволило бы сделать существенный шаг вперед в попытках сформулировать Theory of everything. С помощью этой всеобщей теории можно исчерпывающе описать устройство Вселенной.

К тому же суперсимметрия сулит решение одной космологической загадки. Речь идет о природе темной материи. Весьма вероятно, что легчайшая суперсимметрийная частица (предположительно нейтралино) стабильна, электрически нейтральна и остается невидимой, поскольку не вступает в электромагнитные взаимодействия с обычными частицами. Значит, она ведет себя точно так же, как, с точки зрения космологии, проявляет себя темная материя, регистрируемая только по своему гравитационному воздействию. В этом вопросе все единодушны: если бы удалось «поймать» нейтралино, это стало бы сенсацией.

Но есть экстремалы, которые отваживаются заглядывать в еще более далекие сферы. Некоторые из коллег Эллиса рассчитывают, что LHC позволит приоткрыть завесу в потаенный мир, где они обнаружат намеки на дополнительные пространственные измерения, лежащие вне привычной сетки «верх-низ», «справа-слева», «до-после». Согласно этой гипотезе, наш мир нужно представлять как некую поверхность, заключенную в мегавселенную с размерностью более высокого порядка, в которой «обитает» еще множество миров.

Возможно и вправду, когда частицы со всей мощью столкнутся друг с другом, приоткроется лазейка в дополнительные измерения и другие пространства. Это можно будет обнаружить по тому, как – необъяснимым для наблюдателя образом – станет исчезать или наоборот появляться энергия рождающихся при столкновениях частиц.

Сам Джон Эллис считает обнаружение новых измерений в LHC маловероятным. Но исследователь уютно чувствует себя в квантовой физике, которая живет вероятностью и виртуальными частицами, поэтому он не может полностью отрицать такую возможность.

Надежды на гиперускоритель возлагаются огромные. Что если все закончится разочарованием? Не погрузятся ли тогда физики в глубочайшую депрессию? В ЦЕРНе такие страхи считают беспочвенными. Мысль о том, что охота на новые частицы может завершиться ничем, даже не приходит им в голову. Что-нибудь, и в этом все единодушны, обязательно удастся обнаружить.

Когда Маргарет Тэтчер посетила ЦЕРН, она спросила Эллиса, чем он, физик-теоретик, в сущности занимается? Тот ответил: «Просто придумываю всякую всячину, а искать ее – это уже дело моих коллег-экспериментаторов. Каждый раз надеюсь, вдруг они обнаружат что-нибудь неожиданное». 

11.05.2011