Готовиться к сюрпризам всегда трудно. Могло оказаться, что у бозона Хиггса совсем другие свойства, чем следует из Стандартной модели. Надо было настраиваться на то, чтобы регистрировать самые ничтожные аномалии, ибо именно в них могли прятаться признаки Новой физики. Бозонов Хиггса могло оказаться целое семейство, а могло случиться и так, что роль искомого бозона играет какой‑то совсем другой актер. Нам надо было приготовиться к встрече с частицами куда более экстравагантными, чем когда‑либо воображал человеческий ум, – может, стабильных, способных неделю дремать в аппаратах ускорителя, чтобы потом внезапно распасться сразу после загрузки данных, а может, призрачных невидимых частиц темной материи, которые нельзя зарегистрировать напрямую.
Теперь я приступаю к рассказу об истории и приключениях LHC, Большого адронного коллайдера.
Глава 3Вы окончательно рехнулись!
И нобелиаты порой ошибаются
Кафетерий ЦЕРН,
конец какого‑то весеннего дня 1995 года
Я только что вышел с заседания LHCC, Комитета по экспериментам на LHC. Этот комитет был создан несколько лет назад, чтобы оценивать предложения по экспериментам на новом ускорителе – Большом адронном коллайдере. Один из членов комитета – немецкий физик, работающий в эксперименте OPAL на Большом электрон-позитронном коллайдере, новом ускорителе ЦЕРН. Он всегда вежлив и вопросы задает точные; в отличие от других, он не агрессивен по отношению к нам, и ясно, что он на нашей стороне, на стороне молодых физиков, взявшихся за дело, которое все считают невыполнимым. Этого физика зовут Рольф Хойер, и он будет генеральным директором ЦЕРН в момент нашего открытия бозона Хиггса.
В кафетерии я встречаю Карло Руббиа. В жизни ЦЕРН кафетерий занимает очень важное место. Во-первых, тут днем можно пообедать, а во‑вторых, мы заходим сюда в рабочее время, чтобы передохнуть и выпить кофе – или, ближе к вечеру, пива. Здесь всегда оживленно: люди за столиками вечно что‑то обсуждают, делятся идеями, ищут решения. Собеседники из самых разных стран и всех возможных цветов кожи в пылу дискуссий переходят с языка на язык – и потому я полагаю бумажные салфетки одним из важнейших научных инструментов современности. Они тысячами используются для того, чтобы написать уравнения, набросать схему детектора или обсудить фейнмановскую диаграмму; они подобны первым черновикам, на которых маэстро набросал темы всех своих будущих симфоний. Когда обсуждение закончено, салфетки, разумеется, отправляются в мусорную корзину, но если бы кто‑нибудь собирал и хранил их, то на них со временем непременно бы обнаружились следы первых прозрений, приведших в итоге к грандиозным открытиям последних десятилетий.
Около года назад завершился срок пребывания Руббиа на посту директора ЦЕРН, так что он вернулся к своей обычной бешеной научной активности. Он всегда фонтанирует идеями и инициативами. Любопытство – его главное качество. Он знает, что мы сейчас работаем над экспериментом на Компактном мюонном соленоиде, CMS (Compact Muon Solenoid), – детекторе, конструкция которого родилась у нас из идей Мишеля Делла Негра и Джима Вирди, двух учеников Руббиа, молодых людей, работавших с ним в эксперименте UA1 во время открытия W– и Z-бозонов. Я уверен, что Руббиа в подробностях осведомлен о моих научных интересах, а также знает, что в основе всего нашего проекта лежит много новых, совершенно революционных идей.
Когда он со свойственным ему напором говорит мне: “Ну и что вы там, молодежь, намудрили со своим CMS? Не хочешь заглянуть ко мне в кабинет поболтать?” – я уже знаю, что следующий час проведу в аду. И вот я уже стою у доски в кабинете нобелевского лауреата, черчу и пишу на ней формулы, даю объяснения, отвечаю на вопросы, которые становятся все более и более сложными. Руббиа прежде всего движет любопытство, но я хорошо вижу, как он изо всех сил старается загнать меня в угол. Я потею, пытаюсь сохранять спокойствие, спорю, защищаюсь из последних сил. И вдруг он замолкает; на добрых полчаса он перестает меня перебивать и терпеливо следит за тем, что я пишу на доске. Я поясняю: “Так, я думаю, можно будет создать трековую камеру[18], которая выдержит жесткое излучение внутри LHC. Я знаю, что многие технологии еще сырые, но у нас должно получиться”. И добавляю: “Конечно, затраты на сегодня получаются заоблачными, но у нас есть некоторые соображения, как их можно было бы существенно снизить”. И подытоживаю: “Я понимаю, что такая конструкция камеры выглядит чересчур футуристичной, но в случае успеха она позволит нам регистрировать электроны и мюоны с такой точностью, что мы сможем отчетливо идентифицировать бозон Хиггса. С таким детектором мы поймаем его за бороду”. Опуская мел и отворачиваясь от доски, я вижу на лице Руббиа весьма скептическое выражение. Его последние слова не оставляют нам никаких шансов: “Все это писано вилами по воде и работать не будет”.
Выходя из его кабинета, я уже знаю, на чем будут сфокусированы мои усилия в ближайшие годы: доказать, что трековые детекторы на LHC возможны, что с их помощью можно измерять траектории частиц и что даже нобелевские лауреаты иногда ошибаются.
Охота началась
Охота на бозон Хиггса началась далеко не сразу после того, как была выдвинута гипотеза о существовании этой частицы. И определяющая роль, которую она играла в новой теории, тоже стала понятна не сразу. Только в середине 1970‑х годов, когда Стандартная модель была окончательно принята научным сообществом, начались планомерные поиски подтверждения всех ее предсказаний, в том числе и подтверждение существования этого особого бозона.
Статья, привлекшая внимание физиков-экспериментаторов, была опубликована в 1975 году. Сегодня, спустя десятилетия неустанных поисков, любопытно перечитывать выводы авторов того первого исследования – теоретиков Джона Эллиса и Димитрия Нанопулоса. Описав характеристики новой частицы и различные каналы ее распада, они заключают: “Мы приносим извинения физикам-экспериментаторам за то, что не имеем представления ни о массе бозона Хиггса, ни о том, как он взаимодействует с другими частицами, хотя и предполагаем, что это взаимодействие очень слабо. По этим причинам мы не хотим поощрять крупные экспериментальные поиски, но считаем своим долгом проинформировать тех, кто будет проводить эксперименты, потенциально чувствительные к присутствию бозона Хиггса, о том, как эта частица может проявиться в их данных”.
После таких осторожных слов трудно было даже предположить, что очень скоро начнется самая долгая в истории физики и самая дорогая охота на элементарную частицу. Но она началась.
Стандартная модель отводит бозону Хиггса вполне определенную роль и с точностью фиксирует все его характеристики – за исключением одной, самой важной для тех, кто собирается его искать: его массы. Теоретически – это свободный параметр, как говорят в тех случаях, когда речь может идти и о чем‑то легком, как бабочка, и о чем‑то тяжелом, как слон. От массы фантомной частицы зависят многие ее свойства: прежде всего процессы, в которых она может появиться, и вероятность того, что она действительно появится; затем промежуток времени, в течение которого частица реально существует, и, наконец, каналы ее распада на другие частицы.
Тут следует напомнить, что частиц, стабильных в свободном состоянии – как фотон, электрон и протон, – в природе совсем немного. Есть небольшая группа других частиц, таких как нейтроны и мюоны, которые, хотя и не стабильны, живут достаточно долго, чтобы их можно было напрямую зарегистрировать в детекторе. Но подавляющее большинство – это нестабильные частицы: они живут очень коротко и почти сразу же распадаются на другие частицы; бозон Хиггса – в этом смысле не исключение. Не приходится даже думать о том, чтобы зарегистрировать его, непосредственно увидев треки, оставленные им в измерительных приборах. О его присутствии можно судить только по продуктам его распада, и его масса исключительно важна, чтобы понимать, какие еще частицы он может породить. Спектр возможностей тут огромен. Всякого, кто решится на поиски, ждет настоящий кошмар. Это все равно что исследовать Тихий океан в поисках нового вида животных, не зная, о чем в точности идет речь – о крошечных насекомых, живущих в растительности островов, или о гигантских глубоководных рыбах.
В случае с W– и Z-бозонами все было совсем не так. Когда Руббиа начал переделывать самый мощный на то время в мире ускоритель, задача перед ним стояла предельно ясная: подробно исследовать диапазон масс, которые могут быть у W– и Z-бозонов. Объединенная теория электрослабого взаимодействия давала уверенное предсказание: их массы должны быть между 80 и 90 ГэВ[19]; это почти в сто раз больше, чем у атома водорода, и все каналы рождения и распада данных частиц были хорошо определены. Оставалось только построить достаточно мощный ускоритель и сфокусироваться на нужных значениях энергии.
Охота на бозон Хиггса гораздо сложнее, в ней слишком много неизвестных. Во-первых, этот бозон не обязательно существует: Стандартная модель предполагает наличие некоего механизма, нарушающего симметрию между слабым и электромагнитным взаимодействием, но этот механизм не обязательно именно таков, как его описали Браут, Англер и Хиггс. Были и другие модели, безусловно менее элегантные, но нам уже известны случаи, когда природа выбирала совсем не те пути, которые нам больше всего нравились. А кроме того, даже если механизм Хиггса действительно всецело зависел от этого самого бозона (как приписывалось ему теорией), в реальности ничто не мешало ему быть легким, как электрон, или в десять раз тяжелее массивных W– и Z-бозонов. Спектр возможностей, которые предстояло исследовать, был огромен.
Если бы бозон Хиггса был легким, то его можно было бы обнаружить по косвенным эффектам во множестве уже изученных процессов и для его регистрации не понадобилось бы строить большие ускорители. Напротив, если масса его велика, то нет другого пути, кроме как создавать достаточно мощный ускоритель.