Версия для печати
Вернуться к списку

ПОЙМАТЬ ЧАСТИЦУ БОГА

Благодаря ему человечество узнает, как устроен мир

Самая дорогая игрушка физики - Большой адронный коллайдер (Large Hadron Collider, LHC) - наконец заработала. 10 сентября 2008 года на территории женевского ЦЕРНа (Европейская организация ядерных исследований) состоялся запуск крупнейшего ускорителя встречных пучков протонов, который обошелся его создателям, по официальным данным, в 6,3 млрд евро.

В 9.30 утра по среднеевропейскому времени при большом стечении ученых, чиновников, журналистов и прочей сочувствующей публики итальянские физики Стефано Радаэлли и Рассано Джакино торжественно впрыснули первый протонный пучок, ускоренный до энергии в 450 ГэВ (гигаэлектронвольт), из вспомогательного кольца-накопителя SPS в большое 27-километровое кольцо LHC. Пучок пропутешествовал по кольцу вплоть до специального защитного экрана, на котором под радостные аплодисменты наблюдателей произвел эффектную вспышку. Выждав несколько минут, операторы центра управления убрали экран, и протоны продолжили свой путь вплоть до следующего искусственного препятствия. На втором экране приятная картина повторилась, его также открыли, пучок пошел дальше, успешно миновал третью, четвертую контрольную отметку, половину дороги и в 10.24, совершив полный круг почета, вернулся обратно, снова вызвав бурные овации в операционном зале.

Несколько часов спустя экспериментаторы ЦЕРНа рискнули полностью повторить программу, прогнав другой пучок протонов по ускорительному кольцу в обратном направлении. В 15.02 дружные частицы завершили и второй пробег, окончательно успокоив нервы ученых и инженеров: осторожная разминка LHC перед многолетним боем с тайнами микромира прошла без каких-либо серьезных проблем. Впрочем, для порядка отметим, что на самом деле вся эта кутерьма вокруг церемонии первого запуска LHC была весьма формальной: так называемый стартовый инжекционный тест - частичный трехкилометровый прогон протонного банча (сгустка частиц) до первого защитного экрана - был проведен церновцами еще 8 августа. Но одно дело - проверка для своих, а другое - демонстрация для широкой публики. Разумеется, сесть в лужу после столь долгих мучений (с момента первых обсуждений нового физического суперпроекта до его итоговой реализации прошло почти 20 лет) руководство международного женевского института отнюдь не хотело и сделало все возможное, чтобы показать свой товар в самом презентабельном виде. Этими вполне понятными соображениями, в том числе, объясняются и весьма скромные энергетические параметры первого официального тест-драйва LHC: вместо проектных 14 ТэВ (тераэлектронвольт, 1 ТэВ = 1000 ГэВ) пока ограничились лишь 450 ГэВ, не было проведено и встречного столкновения пучков, без которого говорить о каких-то реальных научных результатах, конечно, не приходится.

В то же время проектировщики нового ускорителя рассчитывают, что им удастся выйти на рекордный уровень в 10 ТэВ (по 5 ТэВ для каждого из двух встречных пучков протонов) уже в течение ближайшего месяца. 21 октября 2008 года должна состояться еще одна, "настоящая", церемония открытия LHC, на которой ожидается присутствие глав государств, прямо или косвенно вовлеченных в эту "стройку века".

Ускоряем частицы

Ради чего, собственно, затевался и был наконец доведен до ума столь дорогостоящий проект? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо совершить небольшой экскурс в историю ускорителей элементарных частиц и задач, ставившихся перед ними исследователями физики микромира.

Для того чтобы изучить свойства материи на сверхмалых расстояниях (меньше 10 в минус двенадцатой степени см), ученым требовалось создать пучки ускоренных частиц, обладающих высокой энергией. Рождение новых частиц происходит в результате преобразования кинетической энергии налетающей частицы, взаимодействующей с другой частицей. Чем больше масса частицы, которую необходимо получить в столкновении, тем больше должна быть энергия сталкивающихся частиц.

Создание в середине прошлого века нового типа ускорителей, синхротронов, в которых ускоряемые частицы двигаются в магнитном поле по постоянному радиусу, позволило физикам достичь значительных успехов в обнаружении ранее неизвестных науке элементарных частиц и явлений. Но настоящий прогресс наметился лишь после того, как ученые смогли перейти от линейных ускорителей к коллайдерам, ускорителям на встречных пучках частиц (электронов, протонов и их антиподов - позитронов и антипротонов).

Первые электронные коллайдеры были построены в 1965 году в Институте ядерной физики (Россия, Новосибирск) и Стенфордской национальной лаборатории (США, штат Калифорния). В 1971 году был создан первый протонный коллайдер, а в 1985-м - протон-антипротонный коллайдер.

В 1987 году на американском протон-антипротонном синхротроне Tevatron лаборатории Э. Ферми (США, Батейвия, штат Иллинойс) была получена рекордная энергия одного пучка в 1000 ГэВ. До сих пор Tevatron, стоимость постройки которого составляла всего 120 млн долларов, остается самым мощным ускорителем в мире, и именно на нем был, в частности, открыт в 1995 году последний, шестой кварк - t-кварк.

Крупнейший физический центр Европы, швейцарский ЦЕРН, образованный еще в 1954 году, долгое время делал ставку на ускоритель, осуществлявший столкновения электронов и позитронов, - Большой электрон-позитронный коллайдер (Large Electron Positron Collider, LEP). В 80-е годы в долине Женевского озера на глубине 100 метров был вырыт кольцевой туннель общей длиной 27 километров, и в 1989 году LEP был официально запущен в эксплуатацию. Этот ускоритель неоднократно перестраивали для достижения все больших энергий частиц, и в конце 2000 года он достиг максимального уровня в 209 ГэВ (по 104,5 ГэВ на каждый из встречных пучков). Однако, несмотря на целый ряд качественных результатов, полученных учеными на коллайдере LEP, он не смог оправдать тех надежд, которые связывали с ним его создатели. Так, за все 11 лет работы на LEP не было открыто ни одной новой элементарной частицы. Фактически эксперименты на этом ускорителе лишь с высокой степенью точности подтвердили правоту мейнстримовской теории физики элементарных частиц, так называемой Стандартной модели (СМ).

Проверка на прочность

Стандартная модель успешно выдерживала многочисленные экспериментальные тесты на протяжении нескольких последних десятилетий. Но несмотря на исключительную прочность теоретического каркаса, она, по мнению большинства современных физиков, уже не может сегодня претендовать на роль фундаментальной модели, объясняющей все и вся. Так, из четырех физических сил, действующих в природе, в СМ удалось успешно объединить только электромагнитное и слабое взаимодействия, тогда как еще одно сильное взаимодействие рассматривается ею как независимое, а гравитационное и вовсе не входит в ее теоретическую схему. Кроме того, СМ не дает четкого ответа на целый ряд важнейших вопросов мироздания, таких, например, как механизм так называемой барионной асимметрии Вселенной (наблюдаемое в окружающей нас части Вселенной преобладание вещества над антивеществом, экстраполируемое на Вселенную в целом), размерность нашего пространства-времени и так далее.

Одной из нерешенных пока в рамках СМ ключевых проблем является объяснение механизма генерации масс элементарных частиц. Дело в том, что помимо уже известных физикам полей, отвечающих трем фундаментальным взаимодействиям (электромагнитному, сильному и слабому), в СМ также постулируется существование четвертого поля, так называемого поля Хиггса. Именно с помощью этого пока еще гипотетического поля отцы СМ (Стивен Вайнберг, Абдус Салам и Шелдон Ли Глэшоу, нобелевские лауреаты 1979 года) объяснили наличие массы у частиц-переносчиков слабого взаимодействия (W-и Z-бозонов) и ее отсутствие у частицы-переносчика электромагнитного взаимодействия (фотона).

Согласно СМ все физическое пространство заполнено этим полем и все фундаментальные частицы (к таковым относятся лептоны, кварки и калибровочные бозоны) приобретают массу в результате взаимодействия с ним. Причем те частицы, которые сильно взаимодействуют с полем Хиггса, являются тяжелыми, а слабовзаимодействующие - легкими.

В силу так называемого корпускулярно-волнового дуализма полю Хиггса обязательно должна соответствовать по крайней мере одна частица - квант этого поля, - называемая физиками бозоном Хиггса, а различными научпоповскими изданиями - "частицей Бога". Без нее вся теоретическая конструкция СМ рухнет: не найдут бозон (или бозоны) Хиггса, и Стандартную модель можно будет смело списывать в утиль. И тогда на ее место придут куда более прихотливые и универсальные теории-конкуренты, такие как теория суперсимметрии, теория суперструн или теория великого объединения.

До сих пор, несмотря на многолетние усилия экспериментаторов, "божья частица" так и не была обнаружена: провалом, в частности, закончились ее поиски на женевском ускорителе LEP, предшественнике LHC, ничего не вышло и у предприимчивых американцев на ускорителе Tevatron лаборатории Ферми.

Однако если бозон Хиггса все-таки существует в природе, то его почти наверняка должны обнаружить на новом женевском ускорителе LHC. Причем в зависимости от того, в каком энергетическом диапазоне он будет найден (то ли это будет так называемый легкий хиггс с массой меньше 135 ГэВ, то ли "промежуточный" с массой 135-200 ГэВ, то ли, наконец, тяжелый бозон, весящий более 200 ГэВ), предположительные сроки его открытия сильно разнятся. По оценкам ученых, если "хиггс" окажется легким или тяжелым, на его открытие уйдет два-три года работы LHC, a если "промежуточным", долгожданный успех может прийти значительно быстрее, возможно, до конца следующего года.

Впрочем, суперускоритель LHC жестко заточен далеко не только на поиски пресловутого бозона (бозонов) Хиггса. Хиггс, безусловно, - его задача номер один, но помимо него на LHC затем надеются выловить другие новые частицы, ответственные за существование так называемой темной материи и темной энергии. Как известно, пока ученым удалось найти во Вселенной лишь 5% от общего количества вещества, рассчитанного при помощи теоретических моделей. Остальные 95% вещества и энергии до сих пор остаются невидимыми для измерительных приборов, и мы не знаем, что они собой представляют. В программу работы LHC включен целый ряд экспериментов, при помощи которых исследователи надеются хоть что-то прояснить и в этой сложнейшей проблеме. Еще одна важнейшая задача LHC - выяснение возможных причин того, почему мы не наблюдаем в природе антивещество, а видим только "нормальное" вещество (упоминавшаяся выше проблема барионной асимметрии).

***

Ждет ли физику катастрофа?

Владимир Шевченко, старший научный сотрудник Института теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ) - один из большой команды российских физиков, занятой подготовкой к запуску Большого адронного коллайдера в ЦЕРНе и теоретическим осмыслением предполагаемых результатов его работы.

В чем состоит ваше участие в проекте LHC?

При столкновении протонов в этом ускорителе образовывается огромное количество частиц, из которых затем многие очень быстро распадаются. Среди них так называемые прелестные частицы - адроны. Изучение распадов этих частиц, особенно В-мезонов, возможно, даст ответ на вопрос, почему в природе есть обычная материя, но нет значительного количества антиматерии, построенной из античастиц. Весь эксперимент LHCb, с которым я работаю, специально посвящен этому вопросу. Здесь много теоретических проблем, которыми занимаемся я и мои коллеги.

Каких результатов вы ждете от исследований на Большом адронном коллайдере?

Одна из основных задач LHC - это обнаружение бозона Хиггса, последней частицы в Стандартной модели, которую мы пока не наблюдали. У нас нет никаких сомнений, что электрон имеет массу, и на LHC мы надеемся найти ответ на вопрос, как она возникает. То есть, с одной стороны, мое ожидание состоит в том, что мы сможем наблюдать бозон Хиггса или что-то хиггсоподобное. В этом смысле проект LHC должен положить последний камень в здание Стандартной модели. Но я надеюсь, что этот камень будет достаточно кривой, чтобы каким-то углом не вписаться в Стандартную модель, и это откроет совершенно новые направления исследования. На то, что так и будет, есть разные намеки, в частности наличие во Вселенной темной материи, а также недавнее экспериментальное обнаружение очень малой массы у другой элементарной частицы - нейтрино. В Стандартной модели массы у нейтрино нет.

Вообще, по современным представлениям Стандартная модель - это только низкоэнергетическая феноменология более сложной физики, которая сможет учесть, например, гравитацию. Резюмируя, я бы сказал, что что-то будет обнаружено в этом месте обязательно, но будет ли этот объект бозоном Хиггса Стандартной модели или чем-то другим - вопрос, конечно, открытый. Причем первый вариант самый плохой.

Почему самый плохой?

По сути это будет означать, что мы не приобрели никакого нового знания. В этой связи обсуждается даже, как его называют, nightmare scenario - "сценарий ночного кошмара". В этом сценарии LHC открывает только бозон Хиггса Стандартной модели и больше ничего, никаких других частиц, никаких новых эффектов. Если случится так, будет полная катастрофа для всей этой области физики. Дело в том, что если говорить про тот диапазон энергий, в котором будет работать LHC, то он не взят с потолка, у нас есть разные теоретические соображения, что там должны проявиться эффекты, не описываемые Стандартной моделью. Тем не менее нельзя исключать, что на этих энергиях их не видно и нужны еще более высокие энергии. Но насколько "более высокие", никто уже не возьмется сказать. Может быть, вообще за пределами обозримых возможностей ускорителей. И собрать деньги, людей на новый проект будет практически невозможно. Будем надеяться, что этого не случится. Другой вопрос, что не все из того, что, как мы надеемся, будет открыто на LHC, можно досконально изучить именно на этом коллайдере.

Ему для этого не хватит энергии?

- Дело не в том, что там недостаточно энергии. Дело в том, что в этой машине сталкиваются протоны, и приходится извлекать интересные сигнальные события из огромного числа фоновых, которые при этом происходят. В случае с протонами это более трудная задача, чем когда у вас сталкиваются электроны. Протоны - не элементарные частицы, они состоят из кварков, кварки внутри протонов живут своей сложной жизнью, и это все надо учитывать, и это все вносит ошибки в результаты измерений. А электроны на современном уровне понимания - элементарные точечные частицы без внутренней структуры. Успех LHC подтолкнет реализацию проекта международного линейного электрон-позитронного коллайдера - ILC, который сейчас интенсивно обсуждается, но идейно пока находится, я бы сказал, в подвешенном состоянии (к настоящему времени пять исследовательских центров представили заявки и официально рассматриваются как возможные кандидаты на размещение ILC в своих странах - ЦЕРН, ДЭЗИ (Германия), Лаборатория им. Э. Ферми (США), Лаборатория КЕК (Япония) и наш российский ОИЯИ (Дубна). - "Эксперт"). Если на LHC мы увидим горизонты каких-то новых миров, тогда проект ILC получит, конечно, колоссальный толчок. На нем возможно более аккуратное изучение тех явлений, которые, как мы надеемся, будут открыты на LHC. Это следующий большой проект в физике частиц, он уже виден. В этом смысле LHC и закрывает важный этап развития физики высоких энергий, и одновременно открывает новую эру.

Я как бы вы могли прокомментировать активно тиражирующиеся в различный СМИ в связи с запуском ШС страшилки про искусственно созданные черные дыры, которые поглотят Землю, и прочее?

В свое время ЦЕРН учредил специальную комиссию из уважаемых теоретиков, в которой, кстати, участвовал и наш соотечественник, член-корреспондент РАН Игорь Иванович Ткачев из Института ядерных исследований. Она представила подробный отчет относительно потенциальных опасностей, которые могут быть связаны с проектом. И не только с черными дырами, но еще и с так называемыми страпельками - здесь речь шла о гипотетическом переходе обычной материи в материю, состоящую из странных кварков. Выводы комиссии однозначны - никакой опасности нет. Основной аргумент состоит в том, что процессы, подобные тем, которые будут изучаться на LHC в лабораторных условиях, в природе происходят постоянно, и никаких фатальных катаклизмов это не вызывает. А я придерживаюсь в этом вопросе, если хотите, религиозной позиции. Я не думаю, что Господь, создавая наш мир, имел в виду идею его таким странным способом полностью и мгновенно уничтожить. Зачем тогда было огород городить. В Откровениях Иоанна Богослова написано, что история нашего мира закончится по-другому, и этот источник вызывает у меня большее доверие, чем те квазинаучные тексты об апокалипсических сценариях на LHC, которые я читал.

Мы ведь тоже собирались строить подобный ускоритель в Протвине - УНК, ускорительно-накопительный комплекс. Сейчас, на основании имеющегося опыта, как вы считаете, могли мы такое поднять?

Нет, не думаю, и проблема не только в деньгах или нашем традиционном административном бардаке. Сильнейшая сторона церновского проекта - синергия от объединения усилий разных стран, ученых и техников разных школ, когда вы можете что-то одно сделать в одной стране, где это лучше делается, что-то другое - в другой. Конечно, там тоже есть своя политика, свой лоббизм, но его, как я подозреваю, на порядок меньше, чем если бы одна страна взялась это делать. Сказанное не значит, разумеется, что не надо пытаться развивать национальные научные проекты.

- Каков вклад России в работу на этом коллайдере, насколько он соответствует уровню нашии притязаний?

Вклад России в этот проект, безусловно, значительный. И в кадровом смысле, и в технологическом, и даже в финансовом. Точные суммы российского вклада в проект LHC мне неизвестны, но не надо думать, что наша физика могла быть там столь весомо представлена, ничего не заплатив. Хотя деньги - одна история, а уровень работы и квалификация специалистов - другая. В этой связи не могу не упомянуть, что недавно эксперимент LHCb - один из четырех крупнейших экспериментов проекта - выбрал своим лидером Андрея Игоревича Голутвина, профессора нашего института. Насколько я знаю, это первый случай в истории ЦЕРНа, когда на такой высокий научный пост избирается гражданин страны - не члена ЦЕРНа. А ведь в этом эксперименте участвуют почти 700 человек из 50 или около того институтов из 15 стран.

Вообще, в общественном сознании существует ошибочное представление о типичном ученом как об убеленном сединами мудреце. На самом деле наука высших достижений - занятие преимущественно для молодых. Когда вы приезжаете в ЦЕРН, вы видите там огромное количество молодых людей и совсем немного людей в возрасте, в разительном контрасте с российскими институтами. Но почти каждый из этих зрелых ученых действительно специалист мирового уровня, очень ценный сотрудник. И если вернуться к вопросу о месте России, не нужно разделять вклад молодых русских физиков-экспериментаторов, которые там работают, студентов, аспирантов и вклад лидеров и патриархов. Они дополняют друг друга, и оба значительны. И это очень важно, что молодые люди в ЦЕРНе с самого начала своей карьеры живут в такой среде - здоровой и в смысле научном, и в смысле социальном.

Вы сказали, что Россия не член ЦЕРНа...

Это действительно так, Россия имеет статус наблюдателя. На мой взгляд, успешное участие нашей страны в проекте LHC подтверждает необходимость нашего вступления в ЦЕРН на правах полноправного членства. Тем более что никаких препятствий к этому со стороны ЦЕРНа, насколько мне известно, нет. Единственным препятствием является отсутствие желания России. Конечно, надо будет платить членские взносы, как это делают другие страны-участницы. Но зато мы получили бы возможность участвовать в органах управления, а также во множестве разных полезных для нас программ ЦЕРНа. Если обсуждать, как лучше потратить деньги на развитие российской науки, то я думаю, что весьма эффективный путь, как это ни странно, - вкладывать их в ЦЕРН. Наши молодые люди получат там бесценный опыт участия в самых современных научных проектах и через это неизбежно будут способствовать развитию науки и воспитанию новых поколений ученых здесь, в России, не давая отечественной науке встать на гибельный путь изоляции и провинциализма. Надо понимать, что, если вы хотите вырастить своего сотрудника до такого уровня, какой занял тот же Андрей Голутвин, вы должны его студентом послать за 30 лет до того на какой-то совершенно другой эксперимент.

А почему вопрос о членстве в ЦЕРНе не решается?

Мое ощущение, что у тех людей, которые могли бы дать команду это сделать, нет понимания того, что это нужно и важно. Я не думаю, что тут есть какое-то противодействие политического руководства. Я думаю, они просто не знают, что есть вот такая отличная возможность вписаться в европейскую структуру, которая сейчас как никогда кстати. Это стоит не очень дорого, а пользу принесет большую. Просто нет того, кто мог бы пойти, грубо говоря, к Медведеву и сказать ему: "Дмитрий Анатольевич, пора уже пришла".