Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира
Шрифт:
Главный архитектор проекта
В проекте, рассчитанном на долгие годы, в котором участвовало столько людей и стран и в котором было столько сложнейших подпроектов, несправедливо приписывать слишком большую роль одному человеку, преуменьшая тем самым вклад множества других участников. Тем не менее если кто-либо и должен быть персонально упомянут среди создателей БАКа, так это Лин Эванс.
Эванс производит впечатление скромного человека. Седой и импозантный, в общении вполне демократичен. Он родился в горняцкой семье из Уэльса. Его первой любовью была химия, причем особое удовольствие ему доставляло изготовление взрывчатки. И это, возможно, как раз то, с чего должен начинать человек, который в один прекрасный день начнет проектировать машину для столкновений частиц с самыми высокими энергиями из всех, когда-либо полученных людьми. В университете он переключился на физику, потому что «физика была интереснее и легче». Когда проект БАКа был одобрен, для управления
В ходе реализации инженерного проекта такого масштаба всегда возникают непредвиденные препятствия. Благодаря LEP для БАКа уже имелся готовый туннель, но для четырех крупных детекторов, необходимых при исследовании столкновений, требовалось выкопать новые котлованы. Детектор CMS планировали установить на противоположной стороне кольца (если смотреть от основного здания ЦЕРНа), недалеко от французского города Сесси. И вот когда рабочие начали копать, они случайно натолкнулись на остатки римской виллы IV века! Там обнаружились ювелирные изделия и монеты, имевшие хождение на территориях, ставших позже Англией, Францией и Италией. Неоценимая для историков находка обернулась для физиков задержкой, грозящей нарушением всех графиков. Строительство было остановлено на шесть месяцев, во время которых археологи исследовали руины.
А потом выяснилось еще одно неприятное обстоятельство. Оказалось, что над котлованом, в котором должен помещаться детектор CMS, протекала подземная река. Просачивание воды было не столь сильным, чтобы помешать работе детектора, но оно мешало проведению земляных работ. Команда строителей нашла выход: в яму опустили трубы, по которым тек жидкий азот, замораживающий воду, и копать твердую землю стало намного легче, чем выкачивать жижу. Эванс говорил, что это «было просто здорово».
Эванс и все другие сотрудники ЦЕРНа, работавшие на строительстве БАКа, упорно продвигались к цели. Помимо технических проблем, мешали работе и правительства европейских стран, участвовавших в проекте, постоянно угрожавшие урезать их взносы в ЦЕРН. От руководителей проектов, связанных с физикой элементарных частиц, требуются не только познания в физике и технологиях, но и дипломатическая хитрость и политическое чутье. Важный импульс развитию проекта в 1997 году придало решение США инвестировать в БАК $2 млрд. Все официальные «государства-члены» ЦЕРНа – это европейские государства: Австрия, Бельгия, Болгария, Чехия, Дания, Финляндия, Франция, Германия, Греция, Венгрия, Италия, Нидерланды, Норвегия, Польша, Португалия, Словацкая Респуб лика, Испания, Швеция, Швейцария и Великобритания. Множество других стран подписало соглашения, позволяющие их ученым работать в ЦЕРНе. США (как и Индия, Япония, Россия и Турция) имеет статус государства-«наблюдателя», что подразумевает участие в физических экспериментах и заседаниях Совета ЦЕРНа, но официально такая страна не участвует в обсуждении стратегических планов лаборатории. США – безусловный тяжеловес, и принятые американцами на себя важные обязательства сыграли значительную роль в успехе БАКа. (Не менее важна роль Японии и России.) Более тысячи американских физиков вскоре приехали в ЦЕРН работать на БАКе.
Эванс по своему характеру не начальник, ему легче самому возиться с оборудованием, не боясь запачкать руки, чем требовать от подчиненных, чтобы они тщательно вели записи проходящих работ. Само строительство БАКа проводились в соответствии с планом, но постепенно накапливались небольшие перерасходы средств. Момент истины наступил в 2001 году, когда стало ясно: ускоритель приблизительно на 20 % дороже, чем предусматривалось первоначальным бюджетом. На открытом заседании совета ЦЕРНа генеральный директор Лучано Майани вопреки совету Эванса обнародовал величину перерасходованных средств и прямо заявил, что государства-члены должны оплатить дополнительные расходы.
Естественно, те не пришли в восторг от такой перспективы. Роберту Аймару, который стал следующим генеральным директором после Майани в 2004 году, Совет ЦЕРНа поручил присматривать за менеджментом уникальной машины. Некоторые члены Совета засомневались в том, что Эванс подходит для этой бюрократической роли, и посчитали, что тут нужен другой человек – более жесткий. Но Аймар понял, что уникальное знание Эвансом коллайдера намного важнее, чем мягкость его стиля руководства, и он был оставлен на посту директора проекта. Позже Эванс вспоминал: «Меня, признаться, тогда как следует поджарили. Тот год был самым худшим за весь период моей работы на БАКе».
После инцидента 19 сентября, произошедшего уже после запуска машины, Эванс сказал: «Авария стала последним звеном в цепи неудач, и это было тяжелым ударом. Однако, у меня бывали сложные моменты и в прошлом».
Ускорение
В игре тетербол один конец веревки прикрепляется к мячу, а другой – к верхушке столба. Два игрока стоят по разные стороны столба, бьют по мячу, стараясь намотать веревку вокруг столба. А теперь представьте, что есть только один игрок и что веревка не закреплена неподвижно, а на ее конце петля, которая может свободно скользить вокруг столба. Тогда веревка уже не будет накручиваться на столб, и на каждом обороте игрок, ударяя по шару, будет подталкивать мяч все время в одном и том же направлении и разгонять его до все более высоких скоростей.
В сущности, в этом и состоит основная идея ускорителей частиц. Роль мяча играют пучки протонов, а роль веревки, которая удерживает мяч на круговой траектории, – сильные магнитные поля, заставляющие протоны двигаться по искривленным траекториям в кольце. А вот роль игрока, ударяющего по мячу, играют электрические поля – они подталкивают протоны, чтобы на каждом обороте их скорость увеличивалась.
Протоны чрезвычайно малы по сравнению с предметами, с которыми мы имеем дело в повседневной жизни, – их размер около одной десятитриллионной сантиметра в поперечнике. Вы не можете просто взять один из них в руку и бросить или ударить по нему, когда он пролетает мимо. Для ускорения протонов в БАКе электрический генератор создает во время прохождения частиц электрическое поле, меняющее свое направление с частотой около 400 миллионов раз в секунду. Коммутации очень точно синхронизованы по времени, так что каждый протон при движении в туннеле всегда чувствует электрическое поле, направленное в одном и том же направлении, в результате он быстро набирает большую скорость. Это ускорение создается только в одной точке в кольце, а большая часть усилий на всей длине 27-километрового кольца тратится не на ускорение протонов, а на то, чтобы они сохраняли направление своего движения по круговой траектории внутри кольца.
Когда БАК будет работать в полную силу, там будет в общей сложности около 500 триллионов протонов в двух пучках, в одном из которых протоны движутся по кольцу по часовой стрелке, а в другом – против часовой стрелки. (Цифра приблизительная, поскольку характеристики машины со временем улучшаются.) Это большое количество протонов, но оно очень мало по сравнению с их количеством, содержащимся в любом обычном предмете. Все протоны в БАКе находятся в одной невзрачной канистре с водородом, для всех посторонних она выглядит как огнетушитель. Из этой канистры извлекают небольшое количество молекулярного водорода, который подвергают удару электрическим током, в результате чего электроны обдираются, а протоны отправляются в путь (молекула водорода состоит из двух атомов, каждый из которых содержит один протон и один электрон). Лин Эванс, обучавшийся в юности взрывным наукам, а не физике элементарных частиц, начал свою карьеру в ЦЕРНе, занимаясь именно этой проблемой. В канистре содержится около 1027 атомов водорода, и протонов в них хватит примерно на миллиард лет работы БАКа. Протоны – не дефицитный ресурс.
Протоны загружают в БАК не непрерывно, а порциями – «загрузками», причем вся загрузка отправляется в работу сразу и гоняется там примерно десять часов (или до тех пор, пока пучок по какой-то причине не деградирует). Сначала протоны пропускают с максимальной осторожностью через серию предварительных ускорителей, а оттуда они, наконец, попадают в главное кольцо. И здесь малейшая небрежность недопустима. Протоны в двух циркулирующих пучках распространяются не равномерно – они группируются в тысячи «банчей» (порций или сгустков) в каждом пучке, причем в одном таком банче находится около 100 миллиардов протонов. Сгустки имеют длину 2–3 см, летят на расстоянии примерно 7 метров друг от друга и фокусируются в очень тонкую иглу. Пучок при движении протонов по кольцу имеет диаметр, примерно равный одному миллиметру, – такой же как грифель карандаша – и при входе банча в детектор перед столкновением дополнительно фокусируется, и его диаметр сужается до нескольких тысячных сантиметра. Протоны все имеют одинаковый положительный электрический заряд, поэтому, естественно, стремятся растолкать друг друга, и главной проблемой становится удержание такого тонкого пучка в нужных параметрах.
Кроме энергии сталкивающихся частиц у ускорителя есть еще одна важная характеристика – «светимость», она определяется числом частиц, участвующих в процессе. Вы можете подумать, что считается число всех частиц, летящих по кольцу, но в реальности имеет значение только число столкновений, а большое количество частиц приводит к большому количеству столкновений, лишь если пучок очень сильно сфокусирован. В течение 2010 года главным для создателей БАКа было испытание всех частей машины, ведь требовалось убедиться, что все они находятся в рабочем состоянии, поэтому светимость тогда была не очень высокой. К 2011 году все узлы в значительной степени были проверены, и число столкновений увеличилось примерно в 100 раз по сравнению с предыдущим годом. В 2012 году успешная работа продолжилась, и в течение первой половины года физики арегистрировали больше столкновений, чем за весь 2011 год. Это огромное количество полученных данных и позволило обнаружить бозон Хиггса раньше, чем ожидалось.