Гвидо Тонелли

Тончайшее несовершенство, что порождает всё. Долгий путь к частице Бога и Новая физика, которая изменит мир

Посвящается Лучане

Жить – это дело серьезное и очень опасное

Жуан Гимарайнс Роза

Чтобы спастись, надо мечтать

Вальтер Бонатти

Guido Tonelli

La nascita imperfetta delle cose

La grande corsa alla particella dl dio e la nuova fisica che cambiera il mondo

Перевод с итальянского

Дмитрия Баюка

Печатается по соглашению с Международным Литературным Агентством ELKOST

Издание осуществлено при поддержке “Книжных проектов Дмитрия Зимина”

Эта книга издана в рамках программы “Книжные проекты Дмитрия Зимина” и продолжает серию “Библиотека фонда «Династия»”.

Дмитрий Борисович Зимин – основатель компании “Вымпелком” (Beeline), фонда некоммерческих программ “Династия” и фонда “Московское время”.

Программа “Книжные проекты Дмитрия Зимина” объединяет три проекта, хорошо знакомых читательской аудитории: издание научно-популярных книг “Библиотека фонда «Династия»”, издательское направление фонда “Московское время” и премию в области русскоязычной научно-популярной литературы “Просветитель”.

Подробную информацию о “Книжных проектах Дмитрия Зимина” вы найдете на сайте

ziminbookprojects.ru

© 2016–2017 Rizzoli Libri S.p.A., Milan

© 2018 Mondadori Libri S.p.A. / BUR, Milan

© Д. Баюк, перевод на русский язык, 2024

© А. Бондаренко, художественное оформление, макет, 2024

© ООО “Издательство Аст”, 2024

Издательство CORPUS ®

Предисловие научного редактора

Предлагаемая вашему вниманию книга – это рассказ от первого лица об открытии самой необычной и, пожалуй, самой долгожданной элементарной частицы, бозона Хиггса. Автор книги – Гвидо Тонелли, физик-экспериментатор с огромным опытом, участвовавший в создании и работе эксперимента CMS на Большом адронном коллайдере. Тонелли – непосредственный участник событий и, более того, официальный представитель CMS как раз в те годы, когда поиск бозона Хиггса выходил на финишную прямую. В его книге изложение научной стороны вопроса переплетается с живым рассказом о людях, которые его окружали все это время: физиках старшего поколения, коллегах-экспериментаторах, родителях, друзьях и даже о персонажах, которые так или иначе вмешивались в работу эксперимента. В результате получилась субъективная, во многом очень личная история того, как совершалось самое важное за последние десятилетия открытие в физике элементарных частиц, – и именно этой личной перспективой книга Тоннели прежде всего и ценна.

Точка зрения автора проявляется и в изложении научных и технических сторон исследования: в подборе тем, заслуживающих более подробного рассказа, в выборе того, какую научную мотивацию исследования он считает ключевой, наконец, в формулировках, которые автор выбирает для популярного изложения достаточно сложных теоретических и технических аспектов работы. Надо сказать, что не под всеми утверждениями автора подписалось бы большинство физиков и далеко не все его формулировки в научно-популярном описании явлений я считаю удачными. Однако мы вместе с переводчиком посчитали правильным дать слово самому Тонелли – даже если он в чем‑то неточен – и не досаждать читателю излишними примечаниями. В книге исправлены лишь очевидные описки, а примечания даны там, где дополнительная информация будет полезна или где корректное описание явления важно для понимания процессов.

Оригинальное издание книги на итальянском языке вышло в 2016 году, по горячим следам, спустя считанные годы после открытия частицы. С тех пор прошло почти десять лет, некоторые научные приоритеты и планы на будущее изменились, и мы посчитали, что будет нелишним отразить и эти изменения. В конце книги вы найдете послесловие научного редактора с уточнениями некоторых научно-популярных описаний и кратким рассказом о том, что в этой области физики произошло с момента выхода книги.

Ну а пока устраивайтесь поудобнее – вас ждет живой репортаж с переднего края науки.

игорь иванов

профессор физики, Университет имени Сунь Ятсена, Китай

Пролог

Суета и тревоги по поводу размеров

Стокгольм,

9 декабря 2013 г., 17.30

Мне надо бежать. Остается совсем мало времени до закрытия магазина “Ганс Алльде” на Биргер Ярлсгатан, 58. Туда от “Гранд-отеля” пара километров пешком. Я передал им все свои размеры по электронной почте еще на прошлой неделе, тут не должно быть сюрпризов, но мне все равно немного тревожно. И уже темнеет. Совсем недавно здесь, в Стокгольме, светило солнце. В прозрачном воздухе при десяти градусах ниже нуля все казалось искрящимся. Вот только Балтика меня разочаровала: море вовсе не было покрыто льдом, как я того ожидал. Я никогда не видел моря подо льдом и надеялся наконец‑то им полюбоваться. Давно мечтал об этом.

Прошлым летом мы встречались здесь с Питером Хиггсом и Франсуа Англером[1]. В Стокгольме проходил тогда конгресс Европейского физического общества, и во время ужина мы оказались за одним столом. Питер сидел между мной и Фабиолой Джанотти, а напротив располагался Франсуа Англер, которого одолевали многочисленные друзья, коллеги и студенты, желавшие поздороваться и сделать фото. Я тогда сказал, что нам надо снова встретиться здесь в конце года. Питер и Франсуа улыбнулись, но промолчали.

Я физик и занимаюсь элементарными частицами; измерять самые сложные свойства материи в ее самых экзотических формах – это моя профессия; но вот задачка по отправке в магазин готового платья своих размеров, чтобы получить новый костюм для торжественного случая, поставила меня в тупик. Конечно, измерить рост и окружность шеи – это легко, но что такое длина штанины или объем талии? Откуда на ноге должна начинаться штанина, и на какой высоте находится талия? Чтобы не ошибиться, я попросил помощи у Лучаны, моей жены, и она все мне объяснила и постаралась успокоить. Но волнение не отпускало. А что если я все перепутал? Они получили все размеры в конце ноября, и теоретически мой новый фрак должен бы сидеть на мне идеально. Но магазин закрывается через час, а торжественная церемония уже завтра. Если что‑то пойдет не так, второго шанса мне никто не даст!

То‑то будет номер, если без соответствующего костюма, предусмотренного протоколом, меня попросту не пропустят в Концертный зал[2]. Нет, что за глупости! О таком даже думать нельзя! Меня здесь все знают, и все знают, что я здесь: будущие лауреаты лично рассылали приглашения весьма придирчиво отобранным гостям. Как бы я объяснил потом, что не смог поучаствовать в торжественной церемонии вручения Нобелевских премий лишь из‑за того, что не умею пользоваться портновским метром?

Я спешу в магазин, а в мозгу у меня проносятся воспоминания об успехах двух последних лет. Мне кажется, что я очутился во снах, сменяющих друг друга с головокружительной скоростью. Неужели все это происходило на самом деле?

Глава 1

Ставки сделаны

Улыбка Вольтера

Ферне-Вольтер,

28 ноября 2011 г.

Я просыпаюсь, словно от толчка; на часах 6.30 утра. Сегодня особый день. Решающий момент наступит в 9.00, когда я войду в кабинет генерального директора ЦЕРН[3] и встречусь там лицом к лицу с Фабиолой. Мы – охотники за бозоном Хиггса, самой неуловимой частицей в истории физики. Журналисты называют ее “частицей Бога”, но есть и те, для кого это “священный Грааль физики”, ибо она ускользала от нескольких поколений ученых. Мы же уверены, что нам удалось ее изловить.

Сейчас мне нужно выпить кофе, и покрепче. Моя старая добрая гейзерная кофеварка, захваченная из Италии, шипит и посвистывает. И, как всегда, я первым делом проверяю в компьютере состояние Бимбы. Так мы между собой называем CMS (Compact Muon Solenoid), то есть Компактный мюонный соленоид, этакое 14‑килотонное стальное чудовище, напичканное электроникой и спрятанное в ста метрах под землей и в десяти километрах отсюда.

Я его спикер, голос эксперимента: так в больших международных коллаборациях называют человека, задача которого – координировать коллективные усилия ученых, проводящих исследования, и выступать от их имени. Ученых – тысячи, они рассеяны по всей планете во всех часовых поясах и вечно озабочены тем, чтобы какая‑нибудь глупая случайность не погубила годы их работы.

А Фабиола – шеф другого эксперимента, который называется ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus), и между нами идет жестокая конкуренция. Уже много месяцев всем нам не до сна. На наших компьютерах то и дело возникают некие странные сигналы, намеки на аномалии на графиках – временами в них проявляется определенная регулярность, прослеживаемая на протяжении недели, а то и двух. Но стоит нам начать доверять им, как все эти намеки бесследно исчезают во флуктуациях фонового шума. Проверять и отслеживать – это изматывающий труд, держащий вас в непрестанном эмоциональном напряжении.

Когда пять лет назад я вошел в состав руководства экспериментом, мы с Лучаной переехали из Пизы в Ферне-Вольтер, небольшой французский городок, построенный вокруг имения великого философа. С террасы нашей спальни видны окна кабинета Вольтера в замке на холме. Именно там он написал своего “Кандида”. Именно там встречался с Адамом Смитом и Джакомо Казановой. Усаженная деревьями аллея ведет от замка к озеру Леман. Вольтер проезжал по ней всякий раз, когда французская цензура становилась уж слишком агрессивной: тогда он на несколько месяцев перебирался в Женеву и возвращался в Париж лишь после того, как буря начинала утихать.

Ферне-Вольтер занимает стратегическое положение в центре треугольника, вершины которого определяют значительную часть моей здешней жизни. Одна из них – это основная площадка ЦЕРН; там находятся мой офис и основное отделение CMS. Вторая – Пункт 5, или P5: там, в Сесси, деревушке в предгорьях Юрá, расположен детектор. И, наконец, третья вершина воображаемого треугольника – это Женева, известный на весь мир маленький город с 200 тысячами жителей 180 национальностей и богатейшей культурной жизнью.

Вблизи Женевы, под землей, находится Большой адронный коллайдер (LHC – Large Hadron Collider). Этот самый крупный на сегодня ускоритель элементарных частиц протяженностью в 27 км расположен на границе Франции и Швейцарии. Его тоннель гигантским кольцом проходит под склонами Юрá и вдоль берегов Женевского озера. Здесь, практически у нас под ногами, сотни миллиардов протонов разгоняются до скоростей очень близких к скорости света, чтобы столкнуться с другими протонами, несущимися им навстречу. Протоны – это мельчайшие частицы в составе атомных ядер, и энергия, до которой они разгоняются, прежде чем столкнуться, совершенно незначительна по меркам нашей повседневной жизни. Но будучи сконцентрирована в тех бесконечно малых областях пространства, где происходят эти столкновения, она создает экстремальные условия, каких не было со времен Большого взрыва.

Однако мне уже пора. Надо поторопиться. Воздух прозрачен и свеж; на фоне неба вырисовывается изящный силуэт Монблана, окруженный цепочкой облаков. Я ощущаю странную смесь усталости и возбуждения.

Проезжая на машине через центр города, миную статую Вольтера. Лицо у старого философа, “патриарха”, как его часто называют в Ферне, скептическое, именно с таким выражением наблюдал он за ходом истории. Но сегодня я охвачен энтузиазмом и потому мне кажется, что Вольтер, глядя на меня, улыбается. Я мчусь мимо полей, отделяющих Ферне от ЦЕРН, и повторяю про себя: наконец‑то бозон попался!

А еще я думаю о Фабиоле. Наши эксперименты, ATLAS и CMS, изначально задумывались как независимые и получили поддержку как раз благодаря тому, что между нами планировалось нечто вроде соревнования: мол, каждый будет стремиться получить результат первым. Мы использовали различные технологии, и это гарантировало полную независимость измерений: если один обнаруживал новую частицу, другой должен был подтвердить полученный результат. В обе международные коллаборации входило более трех тысяч ученых. Но у “этих из ATLAS” с самого начала была фора: больше и людей, и средств. ATLAS все время словно бы играл роль первого ученика. На стадии строительства они всегда строго укладывались в график, а мы отставали. И пока мы спешно устанавливали последние компоненты детектора, они уже добрых несколько месяцев собирали данные. А их диспетчерская! Она так и радует глаз – просторная, экипированная новейшими технологиями визуализации! Наша же мрачна и по‑монашески сурова; к тому же в ней вечно толпится народ и царит неразбериха. Чтобы добраться до нас, надо на целых десять километров углубиться в сельскую местность, тогда как ATLAS располагается прямо у главного входа в ЦЕРН. Мимо как раз проходит дорога в аэропорт, и всякий, кто туда направляется, видит импозантный мурал, украшающий одну из стен их корпуса. Понятно, что министры, президенты и прочие главы государств чаще решают заглянуть к ним, а не к нам.

Мы отвечали тем, что старались обгонять их в анализе данных и получении результатов. Мы могли рассчитывать на наш детектор, устроенный проще и обладающий более высокой производительностью. В первый год мы их обходили. Мы публиковали десятки статей, одну за другой, а они тихо работали, пока все вокруг удивлялись: а где же там наши отличники? Но потом они пошли в контратаку, так что теперь, в финале гонки за бозоном Хиггса, мы идем бок о бок.

Фабиола – прекрасный физик и прирожденный лидер. А еще она итальянка, и мы с ней добрые друзья уже много лет. Время от времени мы устраиваем ужины для общих друзей, и у нас получаются очень приятные посиделки. Мы разговариваем обо всем на свете – за единственным исключением: не обсуждаем это. В некоторых отношениях мы с ней антиподы. Она родилась в столице в буржуазной семье: ее отец – геолог, мать училась в лучших учебных заведениях Милана. Я же появился на свет в деревушке, затерянной в Апуанских Альпах (коммуна Казоле-ин-Луниджана, Экви Терме), где тогда насчитывалось всего 287 жителей. Мой отец – железнодорожник, мать – крестьянка. Я первым в нашей семье получил диплом о высшем образовании, не говоря уж о том, что диплом был с отличием. Она специализируется на анализе данных и программном обеспечении, я – на детекторах. Она очень серьезная и сдержанная, но по ее глазам видно, насколько она напряжена. Я же умею скрывать свой стресс: всегда сохраняю спокойствие и стараюсь улыбаться даже в самых сложных обстоятельствах. Она въедливая и дотошная: стремится докопаться до деталей, которыми я, как правило, пренебрегаю, стараясь держать во внимании только общую картину. Мы очень разные, но с ходу понимаем друг друга. Иной раз нам достаточно просто обменяться взглядами, чтобы обоим все стало ясно. Нас объединяет всепоглощающая страсть к познанию, и в нашем состязании мы всегда честны. Думаю, не стоит даже уточнять, что каждый из нас стремится стать первым. Ставки очень высоки. Да, мы оба хотим победить, но победить достойно: выиграет тот, кто будет двигаться к цели быстрее.

Я взволнованно нажимаю кнопку лифта в Корпусе 500. Кабинет генерального директора на пятом этаже. Когда я вхожу, на часах 8.58. Фабиола уже здесь. Мы близки к финалу – настало время открыть карты. Хотя мы и обнаружили определенные свидетельства, окончательного доказательства пока нет. Когда же оно появится? Кто из нас совершит открытие века? И кому придется удовольствоваться вторым местом и тем самым обречь свой эксперимент на забвение?

Но точно ли у нас в руках бозон Хиггса? И почему эта окаянная “частица Бога” так важна?

Кварки, глюоны, Большой взрыв и чайные ложки

Мы относимся к необычному типу современных исследователей. Наша задача – понять, откуда взялась та чудесная материальная вселенная, которая нас окружает и частью которой являемся и мы сами. Мы те, кого люди называют учеными, мы – члены отряда специального назначения, отправленного человечеством на разведку с целью понять, как же функционирует природа. Мы – обладатели гибкого и любознательного ума, лишенные предрассудков, готовые к любым неожиданностям и понимающие, что втиснуть мир в наши ментальные категории можно только путем освобождения от остатков здравого смысла и освоения совершенно незнакомых территорий. На рубежах познания ты оказываешься в одиночестве и можешь полагаться только на интуицию поэтов и пророчества безумцев. Они (как и мы) не боятся бродить среди неизвестности. Этим‑то мне и близки такие отчаянные личности, любящие риск и бесстрашно направляющие свой разум к границе с неведомым, – дабы точнее понять и себя, и тот мир, который нас окружает. Мы с ними подобны канатоходцам, идущим вперед без страховки.

Я всегда говорю это своим студентам в первый же день наших занятий. Я хочу, чтобы у них не оставалось даже тех незначительных иллюзий, которые пока еще сохранились. Все то, о чем рассказывает нам современная физика, и то, что она позволяет нам постигнуть, – не более чем незначительная толика реальности. Материя, буквально вся материя: круассаны с кремом и море, деревья и звезды, галактики и межзвездный газ, черные дыры и реликтовое излучение – одним словом, все то, о чем можно было строить гипотезы или даже наблюдать напрямую с помощью мощнейших телескопов и других современнейших научных инструментов, – составляет не более чем 5 % Вселенной. Остальные 95 % – нечто совершенно неизвестное.

Века исследований и интеллектуальных усилий, прогремевшие концептуальные революции (вроде квантовой механики и общей теории относительности), повсеместное укоренение чувства собственного всемогущества, связанного с появлением все более и более изощренных технологий… но в конечном счете в гигантском океане неведомого мы можем распоряжаться лишь несколькими каплями познания. К ним‑то и сводится вся современная наука.

В этом заключается особая прелесть того, чем мы занимаемся. Забавно, что многие думают, будто мы, ученые, все знаем. Каждый раз, когда я слышу подобное, мне бывает трудно сдержать улыбку и я старательно пытаюсь объяснить собеседнику, насколько осторожны должны мы быть в своих утверждениях. Нам известна вся опасность ошибок, и потому мы со вниманием относимся даже к мельчайшим деталям, не вписывающимся в общую картину.

Часто меня веселит изумление в глазах людей, которые слышат, что для ученого реальность – концепция конвенциональная и размытая, не поддающаяся строгому определению. Даже повседневность, в которой мы чувствуем себя привычно и уверенно, куда более сложна, чем может показаться на первый взгляд. Вот, например, хорошо знакомый предмет – чайная ложка, которой мы размешиваем сахар в чашечке с кофе. Думаю, все примут меня за сумасшедшего, если я признаюсь, что, будучи физиком, не понимаю, что именно мы называем чайной ложкой. Ведь пытаясь точно описать ее, я с неизбежностью натолкнусь на серьезные трудности. Чайная ложка представляет собой огромное количество атомов, сцепленных друг с другом остаточными электромагнитными связями и организованных в макроскопическую структуру, в которой можно увидеть мириады отдельных микроскопических слоев. Она – непрерывное кипение глюонов и кварков, тех самых частиц, которые мы создаем в своих ускорителях, погруженных в непрерывный и хаотический поток электронов. При этом ее атомы колеблются и вращаются, молекулы испаряются, а в металле появляются примеси; свет излучается и поглощается на различных длинах волн; вся ложка участвует в гравитационном и электромагнитном взаимодействии со всей остальной Вселенной. Очень трудно примирить это со здравым смыслом, подразумевающим фразы типа “чайная ложка – это всего лишь чайная ложка”, “это кусок металла, которому придана такая форма, чтобы с его помощью можно было донести до рта глоток напитка”. Практически невозможно убедить себя в том, что ты, даже если двигаешься очень быстро, никогда не сможешь дважды взять в руки одну и ту же ложку, и что ты никогда не сможешь быть уверенным в том, что ложка, лежащая на блюдце, в точности та же самая, которую ты только что опускал в кофе, хотя эти два момента и разделяет всего лишь мгновение.

А что уж тогда говорить о звездном небе, на которое смотрит каждый из нас, к примеру, в ночь на святого Лаврентия, желая увидеть там падающую звезду! Небо влюбленных, небо малышей, которые возводят свои взоры к рою звезд Млечного пути и – поколение за поколением – повторяют один и тот же вопрос, адресованный дедушке или бабушке, вопрос, заданный мне моей внучкой Еленой, когда ей было четыре года: что такое все эти светящиеся точки на небе?

Это хороший вопрос, заключающий в себе реальность звездного неба. То, что мы видим, это совсем не просто! Это игра накладывающихся друг на друга световых сигналов, которые приходят от звезд, расположенных на самых разных расстояниях друг от друга, и встречаются в наших глазах. Квантовая физика объяснила нам, что свет состоит из крошечных невидимых порций энергии, названных фотонами. Их скорость – то есть скорость света – хотя и колоссальна, но не бесконечна. Когда мы смотрим на звезды, находящиеся очень далеко от нас, фотоны, попадающие на сетчатку и регистрируемые ее светочувствительными клетками, проделывают свой путь многие годы; некоторые из них находятся так далеко, что фотонам могут понадобиться тысячи лет. Образ звезды, который реконструирует наш мозг, строится в данный конкретный момент из тех частиц света, который она испустила тысячи лет назад. Никто не может гарантировать, что за это время звезда не сместилась на миллиарды километров или вообще не прекратила свое существование, озарив небеса вспышкой сверхновой. Каждую ночь у нас над головой разворачивается синхронное представление множества событий, отделенных друг от друга тысячами лет. И, задумавшись об этом, мы вдруг понимаем, что наблюдаемое нами не существует, – или, по крайней мере, не существует в том виде, в каком оно явлено нам. Звездное небо, воссоздаваемое в нашем мозгу – это почти произвольное представление реальности, о котором мы знаем, что оно зависит от места, времени и инструментов, помогающих нам проводить наблюдение.

Фотоны, путешествующие от далеких звезд, таких, например, как звезда Садр в созвездии Лебедя, стартовали еще в те времена, когда Римская империя только начинала шататься под ударами варваров[4]. А фотоны от супергиганта V762 в созвездии Кассиопеи были испущены в эпоху обледенения, когда Европу покрывал слой льда в сотни метров толщиной. А слабые лучи света от Туманности Андромеды, ближайшей к нам галактики, которую можно увидеть в ночном небе невооруженным глазом, начали свой путь еще тогда, когда в ущельях Олдувай в Африке новая и очень странная раса обезьян принялась осваивать просторы саванны.

И это мы еще не упоминаем того, что невозможно увидеть глазами, – например, микроволновый фон реликтового излучения (эхо Большого взрыва), проникающий всюду во Вселенной, или вездесущую темную материю, которая словно бы заключила в свои объятья огромные скопления галактик. Электронные глаза, при помощи которых мы осматриваем небо – будь то большие телескопы на земле или же телескопы, установленные на спутниках, – дают нам совсем иные картины звездного неба, в совершенно других диапазонах длин волн, гораздо более богатые деталями и несравнимые с теми бедными изображениями, что могут воссоздать наши глаза при их скромной светочувствительности. Видимый спектр, хорошо знакомый каждому по раскинувшейся над землей радуге, занимает лишь узкую полоску частот в существующем неохватном диапазоне разнообразных электромагнитных излучений. Они подразделяются (с ростом частоты или, соответственно, с уменьшением длины волны) на радиоволны, микроволновое излучение, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолет, рентген и гамма-лучи.

Небесный свод, каким он нам является, – настоящая машина времени! Но это не удивляет никого из людей. Никто не таращит в изумлении глаза, глядя на это чудо, повторяющееся каждую ночь, как это бы наверняка случилось, если бы мы, проезжая долину в Доломитах, слева заметили мирно пасущихся коров, в центре – Одоакра, ведущего орду герулов на Равенну, чтобы навсегда покончить с Западной Римской империей, а справа, на огромном леднике, – группу наших предков в шкурах, преследующих одного из последних мамонтов.

Так что реальность сильно отличается от того, что мы видим; она намного сложнее, чем мы можем себе представить, и наука с трудом отвечает даже на самый простой из тех вопросов, что человечество задает со времен своего младенчества: откуда это все взялось?

Первая трудность зиждется на том факте, что Вселенная, в которой мы живем сегодня, сильно отличается от той, которая дала начало всему. Нам повезло оказаться в теплом и уютном уголке космоса – места в целом исключительно холодного. Средняя температура во Вселенной приблизительно –270 °C, то есть она всего несколькими градусами выше абсолютного нуля, минимального возможного значения температуры. Но в момент своего рождения Вселенная, напротив, была раскалена значительно сильнее, чем мы можем себе представить: она была настолько горяча и взвихрена, что до сих пор не удалось установить значение ее температуры.

Мы также знаем, что Вселенная уже очень стара. Самые последние данные позволяют оценить ее возраст в 13,8 млрд лет. И разве можно надеяться понять ее происхождение, просто наблюдая холодную и старую материю, нас окружающую? В ранней Вселенной условия, создаваемые экстремальными температурами, были совсем иными, и поэтому сейчас нам трудно понять, что именно творилось тогда.

Но, с другой стороны, у нас нет выбора. Если мы хотим постичь происхождение материи и до конца понять ее свойства, нам надо ухитриться добраться до тех самых первых мгновений. Это колоссальный интеллектуальный вызов, однако на кону стоит познание мира!

В начале всего была незначительная флуктуация вакуума. Банальная, незаметная квантовая флуктуация, одна из многих – из тех, что с неизбежностью случаются в микромире. Но эта конкретная флуктуация все‑таки отличалась от других – у нее была одна особенность, открывшая ей дорогу к чему‑то совершенно новому: вместо того чтобы сразу схлопнуться, как это происходило с неисчислимым числом прочих флуктуаций, она с немыслимой скоростью раздулась, и из нее родилась материальная Вселенная гигантских размеров… а за рождением последовала и эволюция. Если нам удастся понять эти первые мгновения жизни новорожденной вселенной, мы почти наверняка поймем, что с ней станется потом.

Вот для чего был построен Большой адронный коллайдер – особое место, где людям лучше всего удалось воссоздать условия первых мгновений жизни Вселенной и где ищутся ответы на важные вопросы, касающиеся того, что нас окружает и о чем мы пока знаем так мало.

И стал свет

Картина, возникающая на основании последних исследований, абсолютно удивительна. В наипервейшие мгновения своей жизни Вселенная прошла стадию, которую мы называем космической инфляцией; это все еще необъяснимое явление, благодаря которому крошечная аномалия превратилась в нечто гигантское за время до смешного малое – за 10–35 секунды, то есть за 0,000…01 секунды, где в общей сложности 35 нулей.

Термин “инфляция” знаком каждому – им описывают в экономике рост цен, и он указывает на что‑то раздувающееся и подразумевает быстрый экспоненциальный рост. Именно такое явление происходило в самые первые мгновения после Большого взрыва[5], когда то, чему было суждено стать нашей Вселенной, обладало совсем незначительными размерами. Это нечто совершенно особое.

В тот момент на сцену внезапно выходит элементарная частица под названием инфлатон, очень не похожая на другие частицы, и начинаются удивительные события. В микроскопической сингулярности создается сгусток очень странного вещества с отрицательной энергией, которое оттуда начинает яростно выплевываться наружу. Расширение охватывает всё, включая само пространство: то есть расширяется сама структура вакуума. Медленно сползая в потенциальную яму к локальному минимуму энергии – так мячик скатывается по желобу туда, где сможет остановиться в равновесии, – Вселенная освобождается от избытка энергии в каждой своей точке, расширяясь. Но очень высокая энергия Вселенной во время всего расширения остается практически неизменной, сохраняя постоянной и свое стремление к расширению, и потому рост всех ее размеров становится экспоненциальным. За ничтожные мгновения ничто становится всем. Но затем, внезапно – и нам еще предстоит выяснить, что именно тогда произошло, – вся система вырывается из той неглубокой потенциальной ямы, куда она было соскользнула, чтобы начать двигаться к другой потенциальной яме, где ее состояние более устойчиво и где она остается до сих пор. На этом пароксизм ее роста прекращается. Этих мгновений оказывается достаточно, чтобы найти подходящую ямку, в которой можно остаться надолго, и чтобы превратиться из микроскопического объекта в нечто гигантское. Во время этого сверхбыстрого расширения система охлаждается; замирая, она нагревается снова, и в этой новой фазе ее населяют новые элементарные частицы – преимущественно те самые, что известны нам сегодня. Бурные процессы рождения уступают место более медленной эволюции, постепенному расширению, которое будет теперь продолжаться миллиарды лет.

Была ли у ранней Вселенной фаза космической инфляции? Ученые до сих пор активно дискутируют об этом. Космологическая теория, ее предусматривающая, появилась в начале 1980‑х годов, но прямая улика, так сказать, дымящийся пистолет, чтобы и тени сомнений не оставалось, до сих пор не найдена. Однако косвенные улики в пользу данной теории очень многочисленны. Этот взрывной рост действительно одним ударом разрешает множество противоречий, порожденных ее предшественницами. Космологическая теория объясняет, почему Вселенная оказалась такой однородной и изотропной по всем направлениям, почему мы живем во Вселенной, где нет магнитных монополей, у которых северный или южный полюс существовали бы отдельно от своих партнеров (что делало бы уравнения электромагнетизма совершенно симметричными) и которые, согласно теории Большого взрыва[6], должны бы окружать нас в немалых количествах.

Но самый веский аргумент вот каков: все данные, собранные в последние тридцать лет, удивительным образом ложатся в предсказания теории.

В известном смысле мы можем наблюдать инфляцию даже сегодня, благодаря удивительной однородности микроволнового космического фона, – этого океана фотонов с очень низкой энергией, которые заполняют собой все пространство и недвусмысленно свидетельствуют о первых мгновениях жизни Вселенной, подобно некоему ископаемому, которое во всех деталях сообщает нам о том, что происходило миллиарды лет назад.

Космический микроволновый фон изучен нами в мельчайших деталях, причем с помощью самых чувствительных инструментов, какие только можно себе вообразить. Если бы наши глаза могли видеть то, что способен наблюдать “Планк” – орбитальная обсерватория, собравшая о нем (о микроволновом фоне) наиточнейшие сведения, нам бы открылась волшебная картина возвышающегося над нами неба. И прежде всего мы бы увидели его невероятную однородность, которую можно объяснить лишь тем, что все, что нас окружает, – это результат расширения одной исчезающе малой точки. Но еще мы бы увидели буйство красок, порождаемое незначительными колебаниями температуры космического излучения: эти‑то колебания и есть реликты квантовых флуктуаций в крошечной сингулярности, из которой все появилось. Если бы мы могли взглянуть на небо глазами “Планка”, то мы бы увидели тот уголок первородной пустоты, который, расширяясь благодаря инфляции сверх всякой меры, и породил в итоге всю нашу Вселенную.

И все же – что такое инфлатон и что именно породило космическую инфляцию? Эта тайна – одна из самых важных для современной физики – остается пока неразгаданной.

Остаться в живых в мультиверсуме

Даже если мы согласны с тем, что Вселенная прошла через инфляционную фазу, мы должны признать: нет никаких гарантий, что происходившее здесь, у нас, происходило везде. Более того: было бы вполне разумно еще немного поднапрячь свое воображение и задуматься о том, что наша Вселенная – это всего лишь малая часть намного более обширной реальности.

Все наши наблюдения ограничены горизонтом, и мы не можем ни прикоснуться к чему‑то, что находится за пределами нашей Вселенной, ни получить об этом хотя бы какую‑то информацию. Но мы полагаем, что и там может что‑то быть. Если мы примем эту гипотезу, то место, где мы находимся, должно утратить свою исключительность. Вера в равноправие заставляет предположить, что наша Вселенная – лишь один из членов обширнейшей семьи, в которую, по некоторым оценкам, входит умопомрачительное число других вселенных: их 10^500 – это число, записываемое с помощью пятисот нулей, следующих за единицей! А если так, то нам должно быть также дозволено предположить, что механизм, запустивший инфляцию, в некотором смысле постоянно активирован и может в данный момент действовать в каком‑нибудь затерянном уголке нашей Вселенной. Если в какой‑то микроскопической области по каким‑то неизвестным причинам поле, запускающее инфляцию, не находит подходящего минимума потенциала, который бы обуздал его ярость, то оттуда вырастет новая вселенная. Но нам никогда не удастся установить с ней связь.

Итак, у нас складывается картинка супервселенной, населенной огромным числом иных миров. Микроскопические флуктуации вакуума, непрерывно пузырящиеся в супервселенной, в подавляющем большинстве случаев немедленно схлопываются без каких‑либо последствий. Но в каких‑то случаях инфляционный рост все же происходит и рождаются новые вселенные; в некоторых из них начинается длительный процесс эволюции, чем‑то напоминающий нашу, но подчиняющийся, возможно, совсем другим физическим законам.

Сейчас это всего лишь спекуляции – нет шансов получить им какие‑либо экспериментальные подтверждения. Но эти рассуждения еще больше (и не исключено, что даже необратимо) отдаляют нас от традиционных представлений о том, что мы, люди, занимаем во Вселенной некое особое место. Сначала мы думали, что все в мире крутится вокруг нашей планеты; потом – причем с огромным трудом – мы переместили в центр мира Солнце. Позднее до нас дошло, что Солнце – это самая заурядная звезда в ничем не примечательной галактике, одна из многих (из примерно 100 миллиардов) в нашей Вселенной, и нам осталось утешаться тем, что мы живем в Уни-версуме, во Все-ленной, всеохватывающей и уникальной, рожденной в ходе неповторимого события, которое стали называть Большим взрывом. Однако теперь мы лишаемся и этой последней уверенности и многомировая теория обрекает нас на поиски каких‑то новых смыслов в роли, которую мы во всем этом играем.

Тайна темной материи

У нашей Вселенной, между тем, есть и другие тайны, способные поколебать нашу уверенность в, казалось бы, надежно установленных фактах и бросить вызов нашим теориям. И даже самые привычные космические объекты, галактики, в действительности куда более загадочны, чем нам думается. Наблюдения скоростей звезд на периферии спиральных галактик, вроде нашего Млечного Пути, с неизбежностью приводят к выводу: кроме видимого вещества – звезд, межзвездной пыли, туманностей и даже черных дыр, одна из которых почти всегда находится в центре любой из галактик, – там должно быть огромное количество чего‑то еще, какого‑то дополнительного неопознаваемого ингредиента. Если бы его там не было, эти периферические звезды не могли бы двигаться с наблюдаемыми скоростями, а двигались бы куда медленнее. Следовательно, это должна быть какая‑то невидимая и необъяснимая форма материи; данная материя не излучает свет и потому получила название “темной”; она полностью обволакивает галактики, проникает в занимаемое ими пространство и окружает их, простираясь на огромные расстояния и будучи своего рода тонким массивным газом, состав которого совершенно неизвестен.

Еще более удивительны наблюдения больших скоплений. Галактики, примерно как и мы с вами, любят жить семьями, галактическими скоплениями, состоящими из десятков или даже сотен членов, расположенными относительно близко (по космическим масштабам) друг к другу. В каталогах их тысячи. Первая мысль, которая должна приходить в голову физику, когда он заглядывает туда, – а что держит эти галактики вместе? Ответ кажется очевидным: сила тяжести, притягивающая их одну к другой. Но при подсчетах концы с концами не сходятся: видимая масса галактик, той их светящейся части, которую мы можем измерить, оказывается слишком мала. Чтобы объяснить устойчивость этих огромных образований, нужно допустить существование какой‑то другой – неизвестной и невидимой – формы материи. Таинственная материя должна быть повсюду: в скоплениях, в самих галактиках, в звездах и во всех планетах… да даже тут и сейчас – внутри нас, в каждой комнате нашего дома.

Нити темной материи простираются на миллиарды световых лет, образуя нечто вроде космической паутины, оплетающей крошечные (в сравнении с ними) области, где концентрируется видимое вещество. Благодаря изначальной неоднородности этой таинственной формы материи видимое вещество собиралось в сгустки, из которых спустя примерно 400 миллионов лет после Большого взрыва рождались первые звезды, а потом и первые галактики, эволюционировавшие во все остальное, – включая звездные системы, планеты и, в конечном счете, нас самих. Результаты последних исследований говорят нам, что эта невидимая и вездесущая материя – только она одна! – составляет 27 % всей массы Вселенной. Чуть больше четверти материального мира вокруг нас состоит из этой странной темной материи, и нам должно быть стыдно, что мы понятия не имеем, что же она из себя представляет.

Очарование Сьюзи

После того как доказательства существования темной материи стали множиться, теоретики разработали для нее немало возможных объяснений. Эти теории сильно различаются между собой. Одна из наиболее перспективных – суперсимметричная, которая особо любима физиками, потому что не только разгадывает тайну темной материи, но и предлагает элегантные ответы на целый ряд других вопросов.

Вообще‑то речь тут идет о целом семействе теорий, концентрирующихся вокруг предположения, что вся известная материя – лишь небольшая часть первичной материи, родившейся в момент Большого взрыва. Согласные с этим ученые считают, что у каждой известной элементарной частицы есть суперсимметричный партнер – элементарная частица практически с теми же самыми свойствами, только более тяжелая и с другим спином (так называют специфическое квантовое свойство элементарных частиц, в чем‑то схожее с вращением вокруг своей оси; спин – неизменная внутренняя характеристика данной частицы, как, например, электрический заряд).

Чтобы излишне не напрягать свою память, физики, оставив открытой возможность некоторых исключений, решили называть суперсимметричный партнер тем же словом, которым называют и саму частицу, но с добавлением в начале буквы “с”[7]. Так, суперпартнер электрона называют сэлектроном, а суперпартнер топ-кварка – стоп-скварком. Для того чтобы сделать теорию более привлекательной и описать ее более обобщенно, в обиход был пущен акроним Сьюзи (SUSY – SUper SYmmetry), напоминающий имя девушки.

Теория оказалась внутренне непротиворечивой и полностью совместимой с результатами всех экспериментов, и, стало быть, ее надо принимать всерьез. Но почему же тогда нет никаких следов суперсимметричных частиц в окружающей нас материи? Все просто: в ранней Вселенной эти частицы сосуществовали на равных с частицами обычной материи. Она (Вселенная) была настолько раскалена, что условия для таких массивных частиц, обладающих высокими энергиями, были исключительно благоприятными. Однако ее быстрое охлаждение, вызванное быстрым расширением, повлекло массовое вымирание Сьюзи. Утратив способность к дальнейшему существованию, они стали распадаться, почти моментально, в частицы обычной материи – оттого‑то мы их теперь и не находим. Но одна из них могла не исчезнуть. Теория предсказывает, что самая легкая представительница этого семейства должна быть стабильной и ни на что не распадаться. Эта частица, которую называют нейтралино[8], была бы в Сьюзи аналогична самым легким нейтрино в Стандартной модели. Если она и взаимодействует с другими формами материи, то исключительно слабо, однако она очень тяжелая и способна образовывать колоссальные кластеры, создающие сильное гравитационное поле. И именно тут можно было бы отыскать объяснение тому, что мы видим, когда наблюдаем галактики или скопления галактик. Темная материя, удерживающая от распада эти колоссальные космические структуры, могла бы представлять собой газ тяжелых нейтралино – реликтов первобытной эпохи, когда в мире доминировала суперсимметричная материя.

Вот так, в попытках понять происхождение темной материи, мы можем наткнуться на таинственную форму материи, о существовании которой едва ли догадывались. Стоим себе, глядя лишь под ноги, – а потом вскидываем голову к небу и открываем для себя его чудеса. Вторая половина Вселенной всегда была прямо перед нами, но нам словно бы недоставало смелости посмотреть на нее.

Чтобы подтвердить теорию, хорошо бы найти Сьюзи-частицы, но это пока никому не удалось. Почему же мы их не видим? Может, потому, что теория не верна. А может быть, все проще и суперчастицы, даже самые легкие, настолько тяжелы, что мы не можем достичь минимальных энергий, необходимых для их рождения, даже с помощью мощнейших ускорителей. Или же у них есть такие особенности, которые мы пока не в состоянии себе вообразить. Но каждый новый день может оказаться подходящим для некоего открытия, которое опрокинет все наши представления об окружающей нас реальности.

И все‑таки что‑то должно быть возможно… понять[9]

В довершение к вышеописанному (точно его было мало!) относительно недавно произошло открытие, смешавшее нам все карты. Мы уже знали, что расширение Вселенной, начавшееся с Большим взрывом, продолжается и по сей день. В самом деле: достаточно взглянуть на галактики и скопления галактик, чтобы убедиться – чем больше они удалены от нас, тем с большей скоростью они удаляются. И еще не так много лет назад ученые предполагали, что со временем – из‑за гравитационного притяжения, действующего на любые формы материи, – скорость расширения должна уменьшаться. Но не тут‑то было! В конце 90‑х годов из наблюдений самых далеких галактик стало ясно: вместо того, чтобы уменьшаться, она увеличивается. Что‑то, некая антигравитация, отталкивающая один островок материи от другого, разгоняет галактики. Если не случится нечто новое, то это будет происходить так долго, пока расстояния между галактиками не станут настолько большими, что все сущее погрузится во тьму и небесный холод пронижет всю Вселенную.

Но в чем же причина такого ускоренного расширения? Мы этого не знаем. Может быть, это еще какое‑то поле или свойство вакуума, в котором мы пока не разобрались, или реликт того начального состояния, что дал толчок пароксизму инфляции. А может, случилось так, что этот реликт оставил Вселенную в покое лишь на несколько миллиардов лет, а затем вновь ее потревожил, хотя уже и не так сильно, без пароксизмов.

Не располагая хотя бы самой смутной идеей о том, что это может быть, ученые назвали источник данной расталкивающей силы “темной энергией”. Плотность ее исключительно мала, но коль скоро она заполняет весь объем Вселенной, то оборачивается самым важным ее ингредиентом: ее вклад в общую массу достигает 68 %. Если мы не без скрипа признали, что у нас нет никаких идей относительно темной материи, составляющей четверть массы Вселенной, то представьте себе шок, испытанный научным сообществом, когда ему пришлось признать то же самое и в отношении практически всего остального, составляющего более двух третей того, что нас окружает!

Короче говоря, если окинуть единым взором и темную материю, и темную энергию, являющие собой темную сторону Вселенной, то выяснится, что эта сторона заметно преобладает над всем прочим. Тут уж даже самым отъявленным скептикам придется согласиться с тем, что степень нашего невежества запредельна: 95 % всего того, что есть вокруг нас, полностью, абсолютно непостижимо.

И все‑таки что‑то должно быть возможно… понять. Мы знаем, что в реликтовом излучении остаются следы самых первых мгновений жизни Вселенной. И эти следы могут подробно поведать обо всем том, что сейчас представляется таким загадочным. Но для этого понадобится чувствительность в сотни, а то и в тысячи раз превосходящая чувствительность наших самых современных инструментов.

Что уж тут толковать о возможности обнаружить самые неуловимые из существующих сигналов, которые излучаются в виде гравитационных волн. Эти сигналы настолько слабы, что за десятилетия систематических наблюдений с применением самых изощренных экспериментальных методик их так и не удалось зарегистрировать[10]. Физики мечтают об изобретении новых приборов, позволяющих уловить либо их, либо какие‑то совершенно новые сигналы, тишайшим шепотом рассказывающие о тайнах зарождения космоса

Ускорители элементарных частиц (LHC – самый известный из них) – важная часть этого огромного проекта. На кону стоит понимание реальности, в которой мы живем, и только что открытый бозон Хиггса мог бы о многом нам рассказать. Невероятно, но факт: одна-единственная элементарная частица – причем весьма трудно уловимая – способна стать ключом к новому удивительному знанию о происхождении мира и материи.

Всякий ученый хотя бы однажды мечтал дожить до того волшебного момента, когда можно взмыть над пропастью, обозначающей рубеж нашего познания, и заглянуть за нее. И ему думается, будто увиденное им (никому, кроме него, в тот момент неведомое) способно принципиально изменить всю картину мира, всю нашу жизнь, наше общество, наше будущее. К такому, безусловно, стоит стремиться.

Глава 2

Ребята шестьдесят четвертого[11]

Им надо многое сказать друг другу

Стокгольм,

23 июля 2013 г., 18.30

У него легкая мальчишеская походка, и по всему ясно, что к ходьбе он привычный. Несмотря на свои 84 года и хрупкое телосложение, он тут же, едва я предложил ему пройтись, сделал знак водителю голубого “мерседеса”, который организаторы конференции предоставили в его распоряжение, и мы отправились в путь. От гостиницы до Музея корабля “Васа” полтора километра, нам придется обогнуть залив, однако погода нынче отличная. Мы идем на банкет, который состоится именно там – в единственном в мире музее, посвященном некоему эпическому провалу.

Галеон “Васа” был гордостью королевского флота Густава-Адольфа. Ему предстояло стать самым красивым, самым мощным и самым хорошо вооруженным флагманским кораблем в мире. Судно торопились поскорее спустить на воду, чтобы задействовать в операциях против поляков и литовцев, которые решили оспаривать монополию Швеции на балтийскую торговлю. Исходный проект показался королю не слишком впечатляющим, и он настоял, чтобы инженеры добавили еще одну палубу, заставленную бронзовыми орудиями. Осторожные возражения опытных кораблестроителей услышаны не были: повеления монарха не обсуждаются.

И зря. Пренебрежение мнением плотников обошлось очень дорого. 16 августа 1628 года, в день своего торжественного спуска на воду Стокгольмского залива, корабль, построенный во славу шведской короны, плюхнулся туда, словно медведь в лужу, и сразу неспешно пошел ко дну. Извлекли его из воды спустя века – в первозданном виде, с изящными деревянными украшениями и бронзовыми пушками, так и не выпустившими ни единого ядра.

Теперь им можно полюбоваться в музее, который построили менее чем в сотне метров от того места, где он более трех веков покоился на дне морском. К радости мальчишек всего мира, которые могут подняться на борт одного из тех кораблей, что снятся им по ночам.

Наша прогулка продолжается всего двадцать минут, но за это время Питер успевает весело рассказать мне об окрестностях Эдинбурга и о многочисленных маршах мира, в которых он участвовал. А потом внезапно с любопытством спрашивает: “Но как вам удается сделать так, чтобы три тысячи физиков работали одновременно и слаженно?” И тогда уже я увлеченно принимаюсь вспоминать о конфликтах, ссорах и сомнениях, терзавших нашу коллаборацию, когда мы только приступили к охоте за частицей, которая носит его имя. Когда же я рассказываю о пари, которые собираюсь выиграть, он искренне смеется: “Честно говоря, то, что вы ее все‑таки нашли, удивило даже меня. Я вовсе не был уверен, что она и в самом деле существует”.

Многие считают, что у Питера Хиггса сложный характер, – полагают его этаким нелюдимом, малословным и нудным. Нет ничего более далекого от реальности. Дурная слава родилась, вероятнее всего, из‑за его плохого отношения к журналистам. После одной неприятной истории Питер действительно старается их избегать. Тогда некий недобросовестный корреспондент сыграл с ним злую шутку: опубликовал интервью, в которое вставил агрессивные фразы, никогда Питером не произносившиеся. И это нежелание встречаться с представителями прессы породило мнение о нем как о мизантропе. Да, Питер относится к журналистам со страхом и недоверием, и даже вчера, во время пресс-конференции, были заметны его напряженность и скованность.

Конференция Европейского физического общества – самая важная в году. Она проходит в Стокгольме за три месяца до сакраментальной даты 8 октября, когда Королевская академия наук объявляет миру лауреатов Нобелевской премии по физике. Все уже знают, что в минувшем году мы нашли на LHC окончательные доказательства того, что новая частица, зарегистрированная в 2012‑м, обладает всеми характеристиками, предсказанными Браутом, Англером и Хиггсом в 1964‑м. Предполагается, что Королевской академии наук тоже об этом известно, и потому на конференции взгляды присутствующих прикованы к двоим “тем самым парням”. Мы все в ожидании: этот год должен стать удачным.

Вчера Франсуа и Питер практически одновременно прочитали каждый свою лекцию[12], а сразу после открывавшего конференцию пленарного заседания оргкомитет собрал в их честь пресс-конференцию.

Один из журналистов спросил Питера Хиггса о причинах, по которым все считают его отцом-первооткрывателем такой важной частицы, на что Питер ответил коротко: “Никаких особых причин для этого нет, так как мой вклад был минимальным”. Однако корреспондентам хотелось найти какую‑то яркую ноту и они продолжили настаивать: “А расскажите нам о моменте Эврика!” Питер застенчиво улыбнулся: “Был август, мою статью только что отклонили. Пару дней я думал, что надо бы бросить это дело. Но потом все же добавил к ней пару фраз, так как в редакции, очевидно, просто ничего не поняли”.

Эти двое – очень разные. Их характеры диаметрально противоположны. Если Питер скромен и немногословен, то Франсуа – шумен и напорист. Первый говорит скованно, невнятно, еле шевеля губами, с трудом выдавливая из себя немногочисленные слова. Второй же волнуется, машет руками и чуть ли не извивается всем телом, чтобы сделать излагаемые идеи яснее; он шутит, сыплет анекдотами, извергает потоки слов, которым, кажется, не будет конца.

Франсуа Англер из еврейской семьи. Во время войны он пережил Холокост – сам остался цел, но его родные пострадали. Он был ребенком, когда нацисты вторглись в Бельгию, и спасся от облав лишь чудом. Он один из enfants cachés[13]– тех еврейских детей, кого выдавали за христиан и укрывали либо в приютах, либо в семьях отважных людей. Франсуа несет в своей душе все полученные в то ужасное время травмы, но при этом его переполняют энтузиазм и радость жизни, являющиеся реакцией на долгое существование в страхе. Многие его родные перебрались в Израиль – страну, где он часто бывает и к которой у него совершенно особое отношение.

Питер Хиггс совсем не такой. С 60‑х годов он принимает участие в маршах за мир и разоружение. Он убежденный активист, и политическая позиция нередко приводит его в ряды демонстрантов, требующих создания Палестинского государства. В 2004 году ему присудили премию Вольфа, престижную награду от одноименного израильского фонда, уступающую только Нобелевской премии. Он должен был присутствовать на церемонии вместе с Франсуа Англером и Робертом Браутом. Но протокол предполагал, что победители получают премию из рук Моше Кацава, бывшего в то время президентом Израиля, и Питер решительно отказался лететь в Иерусалим. В итоге в церемонии участвовали только бельгийцы Англер и Браут[14].

У Франсуа обширное семейство. Он сейчас в третьем браке, и его многочисленные дети и внуки рассеяны по всему миру. Питер же однолюб: у него была только одна жена, обожаемая им Джоди, американская писательница из города Эрбана, штат Иллинойс, работавшая вместе с ним в Эдинбургском университете[15]. Едва увидев, он влюбился в нее до беспамятства. У них все оказалось общим: картина мира, политическая страсть, гражданская позиция. Ему тогда едва исполнилось тридцать, и он работал день и ночь. Любимая жена заботилась о нем, помогала и ободряла. Они были идеальной парой и безумно любили друг друга. Смеялись, шутили, составляли планы на будущее, ссорились и мирились… Рождение первого сына пришлось на то самое время, когда опубликованная Питером статья начала привлекать внимание и его стали приглашать в самые престижные университеты для проведения семинаров и обсуждения полученных им результатов. Казалось, наступило время полного счастья. Но тут мало-помалу что‑то начало сыпаться. Появились первые признаки взаимного непонимания, чувство отчуждения, ощущение распадающегося очарования. Молодой физик справился со всеми мучившими его проблемами, опубликовал статью, которая войдет в историю, – но его молодая жена уже выбрала себе иной путь. И наступил разрыв. Бушевавшие эмоции, которые больше невозможно было сдерживать, погрузили этот блистательный ум в пучину депрессии. Молодой физик будет все чаще запираться у себя дома, откажется встречаться с друзьями, и его работа больше не даст каких‑либо значимых результатов.

Одним словом, Питера и Франсуа можно назвать антиподами. Вдобавок – скрывать это нет смысла – Франсуа всегда с некоторым раздражением реагировал на рассуждения о бозоне Хиггса; данный термин стал популярным благодаря Стивену Вайнбергу, и из‑за этого работа, выполненная Франсуа и Робертом, оказалась несколько в тени. Да и глядя на Питера, сразу можно понять, что ему тяжело находиться рядом с Франсуа и наблюдать весь этот вихрь слов и жестов. Совершенно очевидно, что эти двое совсем не на одной волне.

Как только закончилась встреча с журналистами, мы прошли в кабинет за сценой, где нас ждали бутерброды и фрукты, чтобы мы могли быстро подкрепиться перед предстоящими заседаниями. И там, пока я сидел между Питером и Франсуа со своим сэндвичем, случилось нечто совершенно неожиданное. Эти двое начали говорить, обращаясь друг к другу через мою голову, словно делая меня молчаливым свидетелем их беседы. Мне показалось, будто меня подключили к чату, длящемуся уже почти пятьдесят лет. И я вдруг понял, что они раньше никогда толком не встречались – разве что на ходу и на людях, – и потому у них не было возможности просто поговорить и обсудить всякое разное: и то, как писались их статьи, и те сомнения, что обуревали обоих, и то, чего вообще они ожидали от своих открытий. Со стороны это выглядело так, словно они пытаются восстановить историю своих взаимоотношений, которая началась летом 1964‑го, когда их жизнь решительно переменилась. Конференция должна была вот-вот продолжиться, и нас уже звали в зал, но эти двое никак не желали прерывать разговор. Им надо было еще многое сказать друг другу.

Фермиевское взаимодействие

У истории этого бозона длинный, почти в столетие, пролог. Свое начало она берет, пожалуй, в первые годы ХХ века, в то поразительное время, когда важнейшие для развития науки события следовали одно за другим во все ускоряющемся ритме нарастающего крещендо. Именно тогда самые блистательные ученые умы всего за несколько лет полностью сменили парадигму, в которой человечество познавало мир прежде.

Специальная теория относительности, квантовая механика и общая теория относительности создали основу для новых представлений о материи и Вселенной. Перемены были настолько глубокими, что даже сегодня, век спустя, нам непросто осознать их последствия.

Исходя из этих принципов, физики, принадлежащие уже к новому поколению, делали открытие за открытием, одно удивительнее другого, и разрабатывали одну теоретическую модель за другой, чтобы объяснять результаты проведенных к тому моменту наблюдений; на основании этих моделей регулярно происходили обсуждения последующих опытов. Именно так была создана Стандартная модель фундаментальных взаимодействий.

Ее история начинается с интуитивной догадки молодого итальянского физика Энрико Ферми, озарившей его в 1933 году. К тому времени он уже стал профессором Римского университета и в этом качестве проводил занятия с группой физиков. Несмотря на весьма небольшую разницу в возрасте, они называли Ферми Папой – настолько велик уже был его авторитет. Результатам серии экспериментов этой группы суждено было сильно изменить ход развития самых разных разделов физики. Их назовут ребятами с виа Панисперна — так называлась улица, на которой располагался в Риме Институт физики, где все они работали. Вот члены этой группы – безусловно, гордость науки ХХ века: Эдоардо Амальди, Оскар Д’Агостино, Этторе Майорана, Бруно Понтекорво, Франко Разетти и Эмилио Сегрé. Результаты, которые они получали, были настолько невероятны, что очень скоро “ребят” Энрико Ферми знал весь мир.

С момента своего первого появления в Пизанском университете, куда юный Ферми пришел изучать физику, он неустанно всех поражал. А еще раньше, приехав семнадцатилетним юношей из Рима, чтобы поступить в престижную Высшую нормальную школу Пизы, он написал небольшое конкурсное сочинение, размером с хорошую диссертацию, и уже там проявилась вся оригинальность его ума. Мы, те, кому довелось учиться в Пизе, помним фронтиспис этой его первой книги – “Об отличительных особенностях звуков и их причинах”, – выставленной в помещении департамента (носящего теперь его имя). Молодой блестящий студент нередко сам поднимался на кафедру, чтобы прочитать лекцию, и вместе со своими однокурсниками Разетти и Каррара ставил эксперименты и публиковал научные статьи. В 21 год он закончил университет, а еще четыре года спустя отправился в Рим преподавать теоретическую физику.

В 1933‑м, всего 32 лет от роду, он разработал теорию до такой степени революционную, что его первая статья на эту тему, представленная в журнал Nature, была отклонена на следующем основании: “Содержит спекуляции настолько далекие от физической реальности, что они не представят для читателя никакого интереса”. Ее опубликует журнал La ricerca scientifica, который благодаря этому окажется со временем среди тех журналов, где увидели свет наиболее важные работы по физике ХХ века.

В теории Ферми рассматривается один из процессов радиоактивного распада, причины которого тогда были неизвестны: речь о бета-распаде, получившем такое название из‑за того, что он сопровождается бета-излучением, то есть потоком электронов. Ферми был первым, кто заговорил об этом явлении как о свидетельстве действия новой силы, природа которой оставалась ранее совершенно неведомой. Описывая данную силу, он оттолкнулся от гипотезы о ее близкой аналогии с электромагнетизмом. Эта простейшая гипотеза позволила определить единственную константу G, которую Ферми смог оценить с невероятной точностью. На протяжении многих лет новую силу будут называть “фермиевским взаимодействием”; это название изменится только спустя много лет, когда теория уже станет общепризнанной. Тогда ее нарекут слабым взаимодействием, что вполне естественно, если принять во внимание очень маленькое значение той самой константы G, которая характеризует интенсивность взаимодействия и которая в честь первооткрывателя именуется теперь “константой Ферми”.

В 1938 году Энрико Ферми номинировали на Нобелевскую премию за открытие трансурановых элементов и ядерных реакций, вызванных медленными нейтронами. Он совершил тогда выдающийся вклад в науку, проведя решающие исследования для понимания природы атомной энергии и управления ею. Но подход Ферми к открытию одного из четырех фундаментальных взаимодействий, как станет понятно спустя несколько лет, был бы достоин и второй Нобелевской премии. Великий физик наверняка получил бы ее, если бы не его преждевременная кончина в 1954 году. Эта глава истории была дописана.

Сегодня мы знаем, что слабое взаимодействие, сколь ни редко оно встречается в процессах, проходящих в обычной окружающей нас материи, играет фундаментальную роль во Вселенной. Без вызываемых слабым взаимодействием реакций ни Солнце, ни все остальные звезды не смогли бы производить ту энергию, которую они излучают в окружающее их пространство. И тогда Вселенная оказалась бы наполненной совершенно экзотическими формами материи, а космос приобрел бы черты, совершенно не похожие на те, которые мы знаем; но никто из нас не смог бы рассказать об этом, так как любая форма жизни, напоминающая известные нам, была бы невозможна.

Прорывная идея молодого Ферми открыла путь к объединению электромагнитного и слабого взаимодействий, и это спустя тридцать лет легло в основу Стандартной модели фундаментальных взаимодействий.

Рождение Стандартной модели

Эта история заставляет вспомнить о великих готических соборах XII века. Для создания подобных шедевров требовались гениальные архитекторы, способные их спроектировать, но также еще и тысячи каменщиков, скульпторов и камнетесов, способных воплотить в чудесные физические формы игру художественного воображения. Нечто похожее произошло и со Стандартной моделью. В ее основании находятся квантовая механика и теория относительности – две грандиозные концептуальные революции, с которых начинался ХХ век. От них произошли прочие элементы несущей инфраструктуры, такие как гениальная интуиция Энрико Ферми и работа трех других гениальных архитекторов – Шелдона Глэшоу, Стивена Вайнберга и Абдуса Салама, а уж вокруг этого закрутился непрекращающийся и систематический труд многих тысяч ученых. Стандартная модель рождалась из десятков теоретических построений, сплетенных с целой чередой впечатляющих экспериментальных открытий, которые раз за разом заставляли перерисовывать всю картину. Именно так и происходило за века до этого, когда посреди работ по возведению собора вдруг выяснялось, что какие‑то решения были слишком смелыми, что вся конструкция не способна выдерживать собственного веса или побочных напряжений и что необходимо конструктивное воплощение новых решений, которым и суждено было стать стандартом при постройке следующих храмов.

Эта теория гениальна и элегантна. Хотя в ней слишком много параметров и много констант, истинный смысл которых не очень ясен, успех ее был поразительным и определялся ее мощной предсказательной способностью. Из данной теории следовало существование новых частиц, которые успешно обнаруживались, и она позволяла с колоссальной точностью вычислять новые измеримые величины, причем физики-экспериментаторы могли убеждаться в их точном соответствии с предсказаниями – в некоторых случаях до десяти значащих цифр.

В Стандартной модели вся материя строится из трех семейств кварков и трех семейств лептонов; взаимодействуя друг с другом и объединяясь в различных сочетаниях в соответствии с вполне конкретными законами, они образуют все, что мы знаем. Дюжина элементарных частиц (три пары кварков и три пары лептонов) взаимодействуют между собой, обмениваясь другими элементарными частицами, переносчиками четырех фундаментальных сил: фотон – это частица, из которой состоит свет, и она отвечает за хорошо известный электромагнетизм, в то время как глюон, ответственный за силу между разноцветными кварками, переносит сильное ядерное взаимодействие, которое удерживает кварки связанными внутри протонов и преодолевает электромагнитное отталкивание между протонами внутри ядра. Слабое взаимодействие возникает благодаря излучению и поглощению очень тяжелых частиц W– и Z-бозонов[16]. И наконец, чуть в стороне находится гравитационное взаимодействие. В нем участвуют все тела, обладающие массой или энергией, и оно возникает благодаря обмену гравитонами, переносчиками силы тяжести, которые пока еще не были обнаружены экспериментально.

У переносчиков всех взаимодействий целый спин, 1 или 2. Вместе с частицами, чей спин равен 0, они образуют группу бозонов. У кварков и лептонов, кирпичиков вещества, спин полуцелый, 1/2, и они входят в группу фермионов.

Архитравом Стандартной модели служит объединение двух взаимодействий – электромагнитного и слабого, – оказывающихся, таким образом, двумя разными проявлениями одной и той же силы, называемой электрослабым взаимодействием. Исходная идея родилась из формальной аналогии, подкрепившей интуицию, которая позволила Ферми построить свою теорию слабого взаимодействия. Уравнения, описывающие эти два взаимодействия, практически идентичны, и эта формальная идентичность не могла быть случайной. Подобное чудо в XIX веке привело к слиянию электрических и магнитных явлений в рамках единой теории электромагнетизма Фарадея, Максвелла и Лоренца. И открытие электромагнетизма оказалось способно поколебать основы понимания не только природы, но и общества во всей его сложности.

Этот аргумент я часто использую, когда какой‑нибудь журналист просит меня объяснить в доступной форме, какими могли бы оказаться экономические и социальные последствия новых научных открытий, связанных с бозоном Хиггса. Я не знаю, как лучше ответить на этот вопрос, но зато уверен, что без понимания электромагнетизма мы бы до сих пор ездили в поездах, которые тянет паровоз, пользовались газовым освещением и свечами и посылали сообщения с голубиной почтой. Я не знаю, приведет ли электрослабое объединение к появлению новых технологий, но уверен, что во второй половине XIX века, когда были сформулированы законы Максвелла, никто не смог бы даже вообразить, что из‑за этих четырех уравнений мир сможет изменяться с такой скоростью и так основательно.

Дурацкая идея еще одного бывшего пизанского студента

Триумф Стандартной модели совпал по времени с появлением ЦЕРН на международной сцене физических исследований. Европейская лаборатория с момента своего создания в 1954 году прилагала усилия к тому, чтобы утвердиться в области физики высоких энергий, где традиционно господствовала американская сверхдержава. Первые признаки возвышения ЦЕРН появились в 1970‑х с открытием нейтральных токов (трудноуловимый эффект, первое свидетельство существования Z-бозона, предсказанного Стандартной моделью). А апофеозом стало открытие в 80‑х W– и Z-бозонов, переносчиков слабого взаимодействия.

В центре событий оказался Карло Руббиа, еще один бывший блестящий студент из Пизы, выпускник Нормальной школы. Прошло более сорока лет после статьи Ферми о слабом взаимодействии, но никому еще не удалось обнаружить его переносчиков, которые, в соответствии с теорией, должны были обладать исключительно большими массами. Для того чтобы справиться с проблемой, молодой Руббиа предложил ЦЕРН построить ускоритель доселе неслыханной конструкции. Его революционная идея на первый взгляд кажется дурацкой: пустить по кругу навстречу друг другу в одном и том же ускорителе пучок протонов и пучок антипротонов, которые, сталкиваясь, дадут энергию, достаточную для получения фантомных частиц. Идея предполагала радикальную перестройку самого мощного из ускорителей ЦЕРН с целью приспособления его к новому режиму работы и обеспечения решения целого ряда технических проблем. Характер у Руббиа взрывной, он способен перетянуть на свою сторону и заманить в какую‑нибудь затею даже вешалку у двери. На помощь ему пришел один из главных экспертов по ускорителям, голландский физик Симон ван дер Мер, предложивший новаторский способ уплотнения антипротонных пучков и удержания их в таком состоянии. Именно это стало решающим шагом к достижению нужной интенсивности столкновений. Потом в затею вовлеклись и поначалу менее заинтересовавшиеся ею коллеги, и в итоге в начале 80‑х новый ускоритель заработал. Все сразу пошло прекрасно: в детекторах, расположенных вокруг всей зоны столкновений, появились первые сигналы. В декабре 1983 года на семинаре в ЦЕРН Руббиа сообщил миру об открытии W– и Z-бозонов, благодаря чему они с ван дер Мером спустя год стали нобелевскими лауреатами.

Я был среди сотен слушателей, собравшихся по этому поводу в центральной аудитории. И пока Руббиа отрывистыми фразами рассказывал о горстке первых обнаруженных W– и Z-, сопровождая свое повествование сотнями слайдов, в моей голове – и я до сих пор хорошо это помню – возникло отчетливое видение. Что‑то вроде грез наяву. На протяжении нескольких секунд я смотрел на себя на той же кафедре в некий момент будущего – в этой же самой аудитории, полной тех же самых физиков, – демонстрирующего первые доказательства существования какой‑то новой частицы, открытие которой навсегда изменит наши представления о мире. Я уверен, что такое же видение посетило всех молодых физиков, собравшихся в тот день на том семинаре.

Загадка массы

Многочисленные успехи Стандартной модели не могли скрыть фундаментальной проблемы, притаившейся внутри самого архитрава всей теоретической конструкции.

Как это возможно, что два таких разных взаимодействия оказываются проявлениями одной и той же силы? Радиус действия электромагнитного взаимодействия бесконечен: фотоны, испущенные уличным фонарем, достигнут через определенное время самых отдаленных уголков Вселенной; но люди на протяжении тысячелетий не догадывались о существовании слабого взаимодействия просто потому, что оно проявляется на крошечных субъядерных расстояниях и его следы тут же, мгновение спустя, пропадают. Общий закон физики говорит, что радиус действия какой‑либо силы обратно пропорционален массе переносящей ее частицы. Вот почему радиус действия электромагнетизма бесконечен – такое возможно только в силу безмассовости фотона. Теперь вам должно стать понятно, отчего W и Z должны были оказаться столь массивными. Лишь очень тяжелые частицы могли быть переносчиками силы с таким малым радиусом действия, как у слабого взаимодействия. Но тогда как же мог фотон, лишенный массы, явиться переносчиком того же самого электрослабого взаимодействия, что и очень массивные W и Z? Что принципиально отличает W и Z от фотона? Что такое вообще масса?

На техническом жаргоне все эти вопросы сливаются в одно общее понятие – нарушение электрослабой симметрии. Смысл его в том, что, оттолкнувшись, в теории, от симметричной ситуации, в которой электромагнетизм и слабое взаимодействие – это одно и то же, нужно прийти к реальности, в которой эта симметрия “нарушена” и эти две силы различаются. Над тем, откуда берется это нарушение, задумались еще в 60‑е годы, и с тех пор предлагалось множество ответов, ни один из которых не был в полной мере удовлетворительным. Это продолжалось до тех пор, пока на сцену не выступили “ребята шестьдесят четвертого”. История повторилась: некие молодые люди внезапно выдвинули идею, настолько далекую от шаблонов, что прежде она просто никому не приходила в голову. Это были двое тридцатилетних бельгийцев и их сверстник из Великобритании.

Роберт Браут и Франсуа Англер дружили. Их сблизило прекрасное чувство юмора, а также любовь к шумным застольям, остроумным шуткам и красивым женщинам. Оба были экстравертами, их переполняли идеи, и они излучали заразительный энтузиазм. Молодые люди еще совсем недавно занимались физикой твердого тела, но затем решили сосредоточиться на одном из вопросов физики элементарных частиц. Поскольку область исследований была для них новой, прошло немало времени, прежде чем они представили свою первую работу. Они очень боялись сделать какую‑нибудь банальную ошибку и написать нечто такое, что коллеги могут счесть просто ерундой. Однако придуманное решение казалось обоим очевидным, тем более что они уже видели, как оно “работает” в типичных ситуациях физики твердого тела. И если уравнения двух видов взаимодействия тождественны, нарушение симметрии не может происходить иначе, как в среде, через которую они распространяются. То есть в пустоте. Другими словами, в вакууме, – но в вакууме, симметрия которого нарушена, потому что вакуум… это вовсе не пустота. Для того чтобы обосновать различие между электромагнитным и слабым взаимодействиями, нужно допустить существование некоего “поля”, проникающего во все уголки пространства.

Поначалу идею никто не принял всерьез. Подумаешь, какие‑то неофиты, утверждающие, будто вся Вселенная пронизана чем‑то таким таинственным и незаметным, о чем никто до них не догадывался. Статью, правда, напечатали, но внимания она на себя вроде бы не обратила.

А спустя всего несколько недель тот же самый журнал получил еще одну статью. В ней приводились сходные аргументы (хотя и с совершенно иной точки зрения) и делались аналогичные выводы. Ее автором был Питер Хиггс – молодой и никому доселе не известный британский физик, незадолго до этого приглашенный в Эдинбург. Его специальностью была математическая физика, и работал он в одиночку. Очень серьезный и замкнутый, безумно влюбленный в свою жену, он редко встречался с коллегами и не любил праздное времяпрепровождение. Первый вариант его статьи не прошел, но второй – приняли к публикации. И в августе ему нехотя пришлось вернуться на пару недель к этой работе, чтобы ответить на замечания рефери, то есть тех ученых, которых редакция приглашает для анонимной оценки достоинств статьи. Уточняя один из своих аргументов, Питер пришел к уверенному заключению: да, спонтанное нарушение симметрии электрослабого взаимодействия возникает вследствие наличия поля, элементарным возбуждением которого является неизвестный массивный бозон. Статья Питера Хиггса, где упоминалась работа Браута и Англера, увидела свет через несколько недель после публикации статьи молодых бельгийцев.

Много лет спустя, в Стокгольме, когда мы праздновали получение медалей нобелевских лауреатов, Питер сказал мне: “Я часто думаю о странностях этого мира: если бы тогда, в шестьдесят четвертом, мою статью отклонили, я бы сегодня здесь не сидел”.

Предложенный механизм незатейлив и может показаться очень простым, особенно если при его описании обойтись без формул. Масса – самое банальное из свойств элементарных частиц: она подобна липкой ленте. Как мы могли не подумать об этом раньше? И самые легкие из лептонов, и массивные кварки – все, без исключения, рождаются безмассовыми. Какой будет масса у каждой из частиц, выбирает пронизывающее всю Вселенную хиггсовское поле. Чем плотнее прилипает оно к частице, тем массивней она будет.

Сложно, если вообще не невозможно, подыскать строгую аналогию для механизма, действующего без рассеяния энергии. Обычно используемые образы не слишком соответствуют особенностям механизма спонтанного нарушения симметрии. Мне нравится сравнивать его с плотной и агрессивной линией защиты во время игры в регби: защитники не обращают ни малейшего внимания на фотоны, и те легко проскальзывают у них между ног, но когда дело доходит до W или Z, шанса прорваться уже нет. Защитники вцепятся в их лодыжки и непременно повалят. Любые попытки подняться окажутся безуспешными – дальше им придется ползти, таща за собой гроздья бозонов и с трудом преодолевая бесконечно малые расстояния. Вот он, тонкий баланс, на котором зиждется равновесие нашей Вселенной: фотоны доносят до нас свет самых далеких звезд, в то время как слабые взаимодействия, благодаря которым светится Солнце, остаются скрытыми, спрятанными от наших глаз на субатомных расстояниях.

Идея была революционной. Но – не вызвала никакого заметного отклика. По словам Питера Хиггса, “поначалу обе наши статьи были абсолютно проигнорированы”. Кое-кто из авторов даже подумывал о смене профессии. Но потом дела постепенно приняли совсем другой оборот. Причин тому было две. Во-первых, объяснение, предложенное Браутом – Англером и Питером Хиггсом, выглядело простым и элегантным, а во‑вторых, у теории появился эксклюзивный спонсор. Им стал Стивен Вайнберг – один из отцов электрослабого объединения, – который принялся упоминать (причем чем дальше, тем чаще) механизм Хиггса в своих статьях. Когда, несколько лет спустя, Герарду ‘т Хофту, юному аспиранту из Нидерландов, удалось после месяцев работы доказать, что в теории нет расходимостей, – то есть что в реальных вычислениях не появляются не имеющие, с формальной точки зрения, смысла математические выражения, которые давно превратились в кошмар для физиков-теоретиков, – все сошлись на том, что и Стандартную модель, и троих ее доселе неизвестных авторов можно признать.

В 1999 году, то есть спустя много лет после защиты диссертации, Герард ‘т Хофт и его научный руководитель Мартинус Вельтман также стали нобелевскими лауреатами по физике. “Если бы в 1967 году, когда я ломал голову над поиском решения кажущейся неразрешимой задачи, мне сказали, что эта работа принесет мне Нобелевскую премию, я бы просто рассмеялся!” – признался мне позднее Герард. Эту фразу я часто повторяю своим аспирантам, когда мне кажется, что они недостаточно сосредоточены на своих диссертациях. Каждая из них может оказаться самой важной работой в их жизни.

Великое объединение сил

Объединенная теория электрослабых взаимодействий стала еще одним решительным шагом к осуществлению мечты всех физиков – великому объединению фундаментальных взаимодействий.

У этой проблемы долгая предыстория. Первое объединение восходит еще к Галилею и Ньютону. Сила тяжести, благодаря которой тела ускоренно падают на землю, и та сила, что притягивает друг к другу Луну и Землю или Землю и Солнце, из‑за чего первые находятся в состоянии перманентного падения на вторые, – два разных проявления одной и той же силы всемирного тяготения. Небесная гравитация и земная сила тяжести – это одна и та же сила. Именно об этом говорит нам легенда о яблоке, падающем на голову гениального английского ученого.

Для следующего объединения потребовалось два века. Мы назвали его электромагнетизмом – это сила, переносимая фотонами. После того как Фарадей, Герц, Максвелл и Лоренц показали, что электрические явления вызывают магнитные эффекты, и наоборот, все стало простым и понятным. А когда выяснилось, что данное взаимодействие распространяется посредством фотонов и что свет – это электромагнитная волна с определенными параметрами, иначе говоря, возмущение поля, распространяющееся в пространстве, то полноправным членом семьи стала и оптика.

С объединением слабого и электромагнитного взаимодействий желание рассматривать три фундаментальных силы (третье – это сильное ядерное) как проявления одной и той же суперсилы стало практически непреодолимым.

Механизм тут прост. Три фундаментальных взаимодействия характеризуются тремя числами, константами связи, которые определяют их интенсивность. Чем больше значение соответствующей константы, тем интенсивнее взаимодействие. Значения этих трех констант хорошо известны. Принимая за 1 константу связи сильного взаимодействия, мы получим для электромагнитного взаимодействия значение константы связи в 1/137, то есть оно окажется более чем в сто раз слабее сильного, а слабое – примерно в миллион.

Это колоссальное неравенство несколько смягчается из‑за того, что я предпочитаю называть динамической социальной справедливостью: из‑за механизма, подтвержденного множеством экспериментов. Значения констант связи, то есть интенсивность соответствующих взаимодействий, не остаются постоянными, определенными раз и навсегда. Константы, таким образом, не в полной мере константы – они зависят от энергии. С ростом энергии сильные слабеют, а слабые становятся сильнее.

Эту странную динамику подтверждают эксперименты со столкновениями на высоких энергиях. С ростом энергии сталкивающихся частиц проявления электромагнитных и слабых взаимодействий растут, а проявления сильных, напротив, ослабевают. Этот механизм был в основании объединения электрослабых взаимодействий. Когда стали доступны энергии, достаточные для получения W– и Z-бозонов, интенсивность слабых взаимодействий выросла до такой степени, что мы смогли экспериментально убедиться в их объединении с электромагнитными; с тех пор, как подобное можно было наблюдать в естественных условиях, прошли миллиарды лет.

Тот же механизм наблюдается в экспериментах на LHC. При возрастании энергии константа связи сильных взаимодействий становится меньше, а константа связи слабых растет, так что оба значения все больше и больше сближаются. Экстраполируя эту тенденцию, различные теории предсказывают, что при экстремально высоких энергиях константы связи сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий стали бы почти равными[17] и три фундаментальных взаимодействия практически сравнялись бы по интенсивности. Эти энергии не были достигнуты, и, по всей вероятности, достичь их не удастся – по крайней мере в ближайшем будущем. Тем не менее общая теоретическая рамка представляется вполне функциональной.

При проведении этой экстраполяции выяснилось, что присутствие в теории новых частиц (к примеру, предсказанных на основании предположения суперсимметрии) приводит к тому, что при вполне определенном значении энергии константы связи всех трех взаимодействий в конце концов приобретают совершенно одинаковое значение. Это обстоятельство послужило еще одним сильным аргументом в пользу суперсимметрии.

Если бы Великое объединение было доказано экспериментально, ситуация стала бы намного яснее. То, что мы видим в реальности нашего мира, – это низкоэнергетические проявления фундаментальных взаимодействий, производных от одной суперсилы, которая действовала в невозмущенном виде в горячей ранней Вселенной. Но как только температура Вселенной опустилась ниже критической, эта суперсила кристаллизовалась и приобрела формы, кажущиеся нам разными взаимодействиями; именно в таком виде мы и смогли с ними познакомиться. Произошедшее немного напоминает то, что случается с водяным паром зимних облаков, который, в зависимости от условий среды, может либо конденсироваться в холодные капли дождя, либо десублимировать в кристаллы снежинок.

Имя мечты

А что же с гравитацией? Мы на какое‑то время оставили ее в стороне – по причине ее обезоруживающей слабости в сравнении с другими фундаментальными взаимодействиями. Константа связи гравитационного взаимодействия с ее близким к нулю значением 10–39 бьет все рекорды. По причине малости этой величины принимать во внимание гравитацию имеет смысл только тогда, когда рассматриваются огромные массы: Солнце, Земля или Луна.

Никто не будет считаться с силой гравитационного притяжения между сотрудниками одного офиса или рабочими одного завода. А ведь каждый из них весит около 80 кг и находится на расстоянии всего двух метров от другого, притом что сила притяжения двух масс обратно пропорциональна квадрату расстояния. И все же она никого не интересует из‑за очень маленького значения константы связи – вследствие этого сила притяжения окажется настолько слабой, что для ее экспериментальной регистрации нам бы понадобились весьма чувствительные приборы. (Если же вы испытываете притяжение к коллеге, с которым или с которой работаете в одном помещении, то у вашего притяжения наверняка не гравитационная природа.)

Для гравитационной константы связи справедливо то же, что было уже сказано про все остальные: при возрастании энергии она растет. Но в ее случае механизм объединения не работает. Эта константа стартует со значения настолько низкого, что, когда все остальные взаимодействия сливаются вместе, безнадежно слабое гравитационное остается в одиночестве.

Эта аномалия будет в центре внимания у целых поколений физиков. Одна из самых привычных для нас сил, с которой мы сталкиваемся ежедневно, оказывается в то же самое время и самой странной. И все‑таки желание объединить все четыре встречающихся в природе взаимодействия никуда не делось. У такой теории уже даже есть амбициозное имя – Теория Всего. И она – тайная мечта любого физика.

Экстраизмерения

Добавить гравитацию в объединенную теорию казалось безнадежным делом до тех пор, пока, несколько лет назад, группа молодых физиков не предложила коренным образом поменять сам взгляд на проблему.

Механизм, в его принципиальных чертах, прост. Гравитация не слаба сама по себе, она лишь кажется слабой. Ослепленные здравым смыслом, мы остаемся в плену предрассудка, согласно которому Вселенная эволюционирует в пространстве четырех измерений: три из них собственно пространственные – длина, ширина и глубина, а одно – временнóе. Но если мы, напротив, предположим, что размерность больше (5, 6 или 10), добавив измерения, которых мы просто не замечаем, то картина радикально изменится.

Вот и разрешение загадки: гравитация кажется нам слабой, потому что мы всегда наблюдали только ее бледную проекцию в знакомом нам четырехмерном мире. Но в пространстве бóльшей размерности это взаимодействие значительно интенсивнее, чем мы думаем! Учитывая скрытые измерения, мы обнаружим, что гравитационная константа связи становится нормальной и при росте энергии гравитация сможет объединиться со всеми остальными взаимодействиями. Но где же скрываются эти экстраизмерения? В первые мгновения жизни Вселенной огромная энергия позволяет удерживать их открытыми, а при последующем охлаждении они быстро сворачиваются, словно замыкаясь сами на себя, и становятся незаметными. Аномальная же слабость гравитации остается с нами – как гигантская диспропорциональная деталь, словно подсказывающая, что мы не должны довольствоваться видимостью.

Самое удивительное заключается в том, что если дополнительные измерения существуют, то их можно обнаружить с помощью ускорителей элементарных частиц, в частности – LHC. Заставляя сталкиваться протоны высоких энергий, мы можем поколебать те пределы, в которых вот уже миллиарды лет протекает незаметная и молчаливая жизнь скрытых измерений. Различные варианты теории предсказывают существование сверхмассивных элементарных частиц – их свойства практически такие же, как и у других частиц, описываемых Стандартной моделью, только весят они в десятки раз больше, – или даже новые и совершенно экзотические состояния материи, для которых гравитационное взаимодействие значительно сильнее, чем обычно. То есть возможно образование агломератов субатомных частиц, удерживаемых вместе не электромагнитным, как электроны в атоме, и не сильным, как кварки в ядре, а гравитационным взаимодействием.

На очень маленьких расстояниях гравитационное притяжение может оказаться настолько сильным, что (теоретически) способно привести к рождению микроскопических черных дыр. У них нет ничего общего с космическими черными дырами – гигантскими небесными телами в центрах многих галактик, настолько массивными, что они оказываются невидимыми, так как даже свет не может оторваться от них. Если такие микроскопические черные дыры действительно могут образовываться, то они должны быть безобидными неустойчивыми частицами, существующими очень короткое время и оставляющими по себе в качестве доказательства своего существования микроскопический фейерверк из десятка элементарных частиц, который можно зарегистрировать ультрачувствительными детекторами, окружающими зону реакции. Поскольку до сих пор ни в одном эксперименте не было замечено ни следов сверхмассивных частиц, ни микроскопических черных дыр, то мы можем оценить сверху ничтожные пространственные размеры все еще скрывающихся дополнительных измерений. Короче говоря, вопрос остается открытым, и любой день может оказаться для нас счастливым. Момент, когда подтвердится какая‑то определенная теория дополнительных измерений, не только впишет этот день в анналы истории науки, но и откроет новую главу в истории человечества. Какая захватывающая смена перспективы, меняющая всю картину мира! Попробуйте‑ка, к примеру, мысленно вписать себя в десятимерный мир или хотя бы попросту его представить. Либо задайтесь вопросами о том, что за удивительные возможности принесет нам систематическое исследование этой новой и доселе неизвестной стороны Вселенной.

В поисках священного Грааля

Итак, начав с обсуждения Стандартной модели, мы пришли к главным вопросам современной физики. Темная материя, инфляция, темная энергия, объединение взаимодействий и особая роль гравитации – вот те проблемы, для решения которых понадобится, по всей вероятности, совершить концептуальную революцию в физике. Рано или поздно мы обнаружим нечто такое, что навсегда изменит наши представления об окружающем мире, а Стандартная модель станет частным случаем значительно более общей теории в пределе низких энергий. Такое уже случалось в прошлом и наверняка случится снова.

Но появление новых проблем не должно было отвлекать нас от решения проблемы старой. Требовалось либо обнаружить бозон Хиггса и доказать, что эта частица действительно существует, либо дать какое‑то другое объяснение механизму спонтанного нарушения симметрии электрослабого взаимодействия. Задача оказалась не из легких. Охота за бозоном началась давно, однако пока Стандартная модель шла в остальном от успеха к успеху, на этом пути копились все новые и новые неудачи. Хотя Стандартная модель переживала годы своего наивысшего триумфа, эта частица по‑прежнему оставалась неуловимой – а ведь на ее существовании держалась вся теоретическая конструкция.

Но вот на рубеже 90‑х годов в игру вступило новое поколение молодых физиков, которые решили попробовать свои силы в деле, до сих пор никому не удававшемся. То есть или обнаружить проклятый бозон, или показать, что механизм Браута – Англера – Хиггса не работает и нужна другая теория.

Предложенные ими для решения проблемы устройства были такого размера и с такими характеристиками, что поначалу их приняли за сумасшедших. Большинства технологий, которые они намеревались использовать, попросту не существовало, запрашиваемые материалы были делом далекого будущего, а требуемые условия проведения экспериментов казались безумными.

Мечтой физиков этого поколения стало сооружение небывалого ускорителя, окруженного небывалыми же детекторами. Они хотели перекрыть для бозона Хиггса все возможные лазейки, систематически обследуя любой закоулок, где он мог оказаться.

Но в своих планах молодые ученые шли еще дальше. Одновременно с поисками бозона они собирались отыскать первые признаки Новой физики: признаки новых частиц, чье существование следовало из суперсимметрии, или микроскопических черных дыр, появившихся в теории экстраизмерений. И новое устройство должно было им в этом помочь. Исследователи хотели основательно изучить все русло реки современной физики, один за другим переворачивая камешки на ее дне, чтобы не упустить даже самую мелкую рыбешку.

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 3

Вы 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.

Поначалу охота проходила спокойно, но после первой же ложной тревоги события закрутились в бешеном ритме.

Было лето 1984 года, прошло всего несколько месяцев после открытия W– и Z-бозонов; в лаборатории DESY (Deutsches Electronen-Synchrotron), расположенной в Германии неподалеку от Гамбурга, только что модернизировали электронно-позитронный коллайдер Doris. С первых же месяцев его детекторы начали регистрировать нечто необычное. При энергиях около 8,33 ГэВ наблюдался необъяснимый избыток событий, характерный для рождения новых частиц, “нейтральных и нестабильных”. Возбуждение нарастало – сигнал читался однозначно: все говорило о присутствии бозона Хиггса.

Об открытии было объявлено на самой престижной площадке – на Международной конференции по физике высоких энергий, проходившей в тот год в Лейпциге, тоже в Германии. Сообщение произвело эффект разорвавшейся бомбы, но – сразу последовали бурные споры. Разочарование к ученым приходит, когда другие группы исследователей безуспешно пытаются получить такие же результаты. Физики самой Doris, собрав дополнительные данные, в конце концов признали, что им тоже не удалось воспроизвести собственные результаты. Теперь мы уже никогда не узнаем, была ли членами группы совершена какая‑то ошибка или все дело в коварной статистической флуктуации.

Ложные тревоги будут сопровождать охоту на бозон Хиггса на протяжении десятилетий. Ну, а первое событие из этого ряда оказалось полезным в частности потому, что научный мир оценил всю важность будущего открытия. С этого момента следы бозона Хиггса начнут отслеживать во всех последующих экспериментах.

Властелины колец

Для открытия новых частиц необходим такой ускоритель, в котором они могут появляться. То есть такой, где возможны столкновения, энергия которых превышает массу искомых частиц. Что это за энергия, мы знаем из знаменитого соотношения эквивалентности энергии и массы Эйнштейна. Когда частицы одного пучка сталкиваются с частицами другого, энергия столкновения может превратиться в массу рождающихся при этом частиц, и чем больше энергия столкновения, тем более массивные частицы могут рождаться, тем ближе мы становимся к пониманию первых мгновений жизни Вселенной сразу после Большого взрыва. Отсюда и стремление строить все более мощные ускорители.

В качестве сталкивающихся частиц используются наиболее распространенные электрически заряженные частицы – электроны и протоны, а иногда и их античастицы – позитроны и антипротоны. Заряд необходим, поскольку они разгоняются и удерживаются внутри тоннеля ускорителя в соответствии с законами электромагнетизма. Очень сильные электрические поля создают ускорение, и энергия частиц растет, а сильные магнитные поля искривляют траектории ускоренных частиц, делая эти траектории круговыми.

В ускорителях первого типа используются электроны и позитроны; это точечные частицы, не обладающие размером. При лобовом столкновении они аннигилируют, то есть исходные частицы исчезают и их энергия полностью превращается в энергию рождающихся частиц. С экспериментальной точки зрения ситуация предельно ясна: новые частицы можно получать и изучать в условиях, максимально близких к идеальным. Однако недостаток электрон-позитронных ускорителей заключается в том, что они не позволяют добраться до достаточно высоких энергий. Эти частицы слишком легкие, и при движении по круговым траекториям значительная часть их энергии теряется в виде излучения; попросту говоря, они испускают особую разновидность электромагнитных волн, называемую синхротронным излучением.

Ускорители же, использующие протоны (или антипротоны), от этого избавлены. Поскольку эти частицы намного тяжелее электронов, их синхротронное излучение значительно меньше, а стало быть, можно достичь и куда более высоких энергий. Но, в отличие от электрона, у протона, состоящего из кварков и глюонов, конечные размеры и сложная пространственная структура. И процесс столкновений сильно усложняется.

Внутри протона в основном пустота. Если бы мы могли растянуть его до размеров комнаты, то области, в которых бы обнаруживалось вещество, занимали в ней лишь небольшой объем. И кварки внутри него, и глюоны, обмениваясь которыми кварки удерживаются вместе, оказались бы крупинками размером в несколько миллиметров. Поэтому неудивительно, что в подавляющем большинстве случаев при столкновении двух протонов не происходит ничего интересного: чаще всего они проходят по касательной друг к другу и выходят из столкновения целыми и невредимыми, лишь слегка отклонившись от своей траектории. Если же случается лобовое столкновение, то протоны разрушаются и часть их энергии уходит на образование новых частиц. В тех редчайших случаях, когда лобовое столкновение касается и тех крошечных зон, в которых сосредоточена материя кварков и глюонов, высвобождается максимум энергии, и именно в этих редчайших случаях образуются наиболее массивные частицы – в том числе, возможно, и невиданные ранее. Но поскольку к лобовому столкновению этих занятых кварками и глюонами зон приводит лишь очень малая часть сталкивающихся протонов, в среднем максимальная энергия каждого из них, которая может быть использована для рождения новых частиц, составляет лишь малую часть от полной энергии ускоренного протона.

Опыт последних десятилетий свидетельствует о том, что два основных типа ускорителей в некотором смысле дополняют друг друга. Электрон-позитронные – идеальный инструмент для тонких исследований, в которых нужна высокая точность, а протонные ускорители можно назвать ускорителями открытий: подобно тарану, они пробивают стены на энергетических границах, позволяя обнаруживать за ними все новые и новые частицы.

В обоих случаях энергия – это ключевой параметр. Во-первых, потому, что если ускоряемые частицы не добираются до определенного порога, то и нет никакой надежды на прямое получение искомых массивных частиц. Во-вторых, потому что вероятность получения массивных частиц в протонных коллайдерах сильно возрастает с увеличением энергии столкновений: чем она выше, тем больше будет нужных частиц. А чем больше будет частиц, тем яснее обозначатся каналы распада и характерные сигнатуры, которые приведут к регистрации наиболее четких сигналов и, возможно, позволят нам открыть нечто важное для понимания Вселенной.

Высокие энергии подразумевают частицы, которые можно удерживать на круговых траекториях только очень сильными магнитными полями, а для этого требуются дорогостоящие магниты. Предел определяется текущим развитием технологии. Максимальное значение напряженности магнитного поля определяет минимальный радиус кривизны траектории частицы; этим и объясняется возникновение современных гигантских ускорителей.

Наконец, количество частиц, образующихся в ускорителе, зависит также от частоты столкновений, достижимой в данном ускорителе для данного процесса. На техническом жаргоне ее называет светимостью. Сочетание этих двух параметров – энергии и светимости – определяет успех или провал запланированного научного эксперимента.

Чрезмерная скромность в требованиях к характеристикам нового ускорителя позволит сэкономить на затратах при его строительстве, но тогда вся затея теоретически обречена на неудачу. Для рождения нужных частиц может не хватить энергии, или их может оказаться недостаточно для получения четкого сигнала. А кто‑то другой тем временем построит более мощный ускоритель или ускоритель с лучшей светимостью и придет к открытию раньше. В этом случае никто и не вспомнит о сэкономленных средствах, зато все навсегда запомнят огромные инвестиции, вложенные в провальный проект. Но верно и обратное: слишком футуристический проект тоже может ожидать фиаско, потому что ускоритель не удастся запустить или даже просто достроить из‑за лавинообразно растущих расходов.

Именно на такой тонкой грани, фактически на лезвии бритвы, приходится балансировать физику-экспериментатору в области элементарных частиц при разработке своих проектов, а то и в целом при построении карьеры. Физика высоких энергий – это жесткая конкурентная среда, где стремление ученых достичь вершин знаний часто переплетается с амбициями государств, стремящихся сохранить или занять лидирующие позиции в одной из ведущих высокотехнологических отраслей. На таком скользком игровом поле и большой научный успех, и оглушительный провал могут в равной степени зависеть от какого‑нибудь пустяка.

От Уоксахачи до Большого адронного коллайдера

Соединенные Штаты лидировали в физике высоких энергий на протяжении большей части XX века. Так было по крайней мере с 1930 года, когда 29‑летний Эрнест Лоуренс, едва став молодым профессором в Беркли, нашел способ сделать ускорители частиц более компактными и эффективными: он изобрел циклотрон – первый ускоритель, в котором частицы движутся по круговым траекториям. Прочее же стало возможным благодаря огромным инвестициям и успеху Манхэттенского проекта. С тех пор все администрации США неизменно поддерживали чем далее, тем более амбициозные проекты, надеясь, что, раскрыв секреты материи, удастся получить доступ к неизведанным источникам энергии. В течение десятилетий длилась непрерывная череда успехов, закреплявших неоспоримое мировое лидерство американцев. Каждый, кто хотел принять участие в передовых исследованиях в области физики высоких энергий, должен был купить билет в одну из лабораторий США.

Когда Руббиа открыл W– и Z-бозоны, это вызвало в Америке настоящий шок. Ведь тамошние ученые уже давно готовились к тому, что сами добьются этого – очередного! – успеха и в итоге непременно получат Нобелевскую премию. Еще в 1974 году они предложили построить в Брукхейвене, недалеко от Нью-Йорка, новый ускоритель и даже выбрали для него красивую аббревиатуру: он должен был называться “Изабель” (Isabelle, то есть красивая [belle] Isa, от ISA – Intersecting Storage Accelerator).

Новая установка предполагалась как кольцевой протонный ускоритель с энергией 400 ГэВ в центре масс столкновений, более чем достаточной для получения и идентификации столь желанных носителей слабого взаимодействия. Строительство началось в 1978 году, но довольно скоро возникли серьезнейшие проблемы, связанные со слишком рискованным выбором конструкции.

Для “Изабель” физики планировали использовать сверхпроводящие магниты. Сверхпроводимость – это особое физическое свойство, возникающее при определенных условиях у некоторых веществ, когда они перестают оказывать электрическое сопротивление проходящему току. Это позволяет избежать колоссальных потерь, характерных для обычных проводников, когда по ним течет ток огромной силы, что необходимо для создания магнитных полей, достаточных при удержании высокоэнергетических протонов на замкнутых траекториях. Однако сверхпроводимость – дело непростое. Во-первых, потому, что она возникает только при температурах, близких к абсолютному нулю: сверхпроводящие катушки должны постоянно находиться в самой холодной из доступных на Земле сред – в жидком гелии при температуре около –269 °C[20]. Во-вторых, сверхпроводимость пропадает в присутствии интенсивных магнитных полей и сильных токов, то есть именно в тех условиях, которые необходимо создать. Справиться с этими сложностями можно только с помощью весьма специальных технологий и точного их соблюдения.

Поначалу проект “Изабель” казался надежным и хорошо продуманным. Первый сверхпроводящий магнит с нужными для нового ускорителя характеристиками был изготовлен в 1975 году, и всевозможные испытания не выявили никаких проблем. Ускоритель был профинансирован и официально одобрен в качестве инициативы, имеющей стратегическое значение для США. 27 октября 1978 года забитый в землю колышек ознаменовал начало строительства, и все вроде бы пошло хорошо. В январе 1979 года из компании Westinghouse прибыл первый магнит, качество которого эта компания, взявшая на себя промышленное изготовление магнитов, гарантировала, – как и качество всех прочих. Однако первый магнит испытаний не прошел. И второй тоже. После этого началась бесконечная эпопея: физики проекта возлагали вину на инженеров Westinghouse, а те, в свою очередь, винили физиков. Пока длилась эта многолетняя склока, в ЦЕРН открылось окно возможностей, которым удачно воспользовался Карло Руббиа. Когда стало ясно, что игра за “Изабель” проиграна, от проекта окончательно отказались. Это произошло в июле 1983 года, спустя несколько месяцев после сообщения Руббиа об открытии W– и Z-бозонов и после того, как было потрачено 200 миллионов долларов.

Именно шоком 1983 года объясняются последующие шаги американских физиков и американской администрации, приведшие в итоге к нынешней бескомпромиссной глобальной гонке за первенство в области физики высоких энергий. В прямой конкуренции с американскими корифеями ЦЕРН тогда впервые показал, что он в чем‑то сильнее. США требовалось срочно что‑то предпринять.

Все силы были немедленно сосредоточены в Фермилабе под Чикаго – в лаборатории, продемонстрировавшей способность освоить технологию производства сверхпроводящих магнитов и запустившей в эксплуатацию Тэватрон – ускоритель протонов и антипротонов, аналогичный тому, который привел к открытию Руббиа, но способный достигать энергий в четыре раза выше. И тут же возникла мысль о новом проекте, который бы навсегда утвердил американское превосходство в этой области и похоронил европейские амбиции.

В том же году, когда закрылась “Изабель”, на первый план – благодаря красноречию Леона Ледермана, тогдашнего директора Фермилаба, – вышла идея строительства гигантского ускорителя, получившего название Сверхпроводящий суперколлайдер, или сокращенно SSC (Superconducting Super Collider). Он мыслился как великан, насчитывающий в окружности 87 км, где протоны должны были разгоняться до энергии в 40 ТэВ (то есть в сто раз большей, чем в “Изабель”) по траекториям, искривляемым 8 700 сверхпроводящими магнитами, аналогичными той тысяче магнитов, которые были успешно созданы для Тэватрона. Это был бы самый большой и мощный ускоритель в мире, позволяющий не только открыть бозон Хиггса, но и раскрыть самые сокровенные тайны материи. А главное, с его помощью удалось бы восстановить мировое первенство США в области физики высоких энергий.

Развитие нужных технологий привело бы к росту использования сверхпроводников в новых методах распределения электроэнергии; а новые методы обработки большого объема данных подтолкнули бы США к еще большим успехам в области высокопроизводительных вычислений.

Это были годы президентского срока Рейгана, который выступал за новый, гораздо более агрессивный, чем ранее, вариант доминирования США в мире. Поэтому ему импонировала идея суперускорителя, обнуляющего мечты европейцев о превосходстве и возвращающего Соединенным Штатам пальму первенства в физике частиц. Местоположением нового ускорителя была выбрана полупустынная часть штата Техас, соседствующая с небольшим городком с труднопроизносимым названием Уоксахачи, что на языке аборигенов, населявших эту равнину столетие назад, означает “коровий хвост”. 4,4 млрд долларов – бюджет не маленький, но вполне посильный для такой богатой страны, как США. В конце концов, в те же годы NASA выделят аналогичную сумму на Международную космическую станцию – совместный проект, осененный отнюдь не только звездно-полосатым флагом.

В 1987‑м проект SSC был одобрен, и его финансирование началось. Десятки опытных физиков и сотни талантливых молодых людей, только что получивших докторские степени, переехали вместе с семьями на хлопковые поля к югу от Далласа, где были построены первые здания. Огромные механические кроты, углубившись на десятки метров под землю, старательно рыли длинный тоннель.

Тем временем ЦЕРН, окрыленный успехом с W– и Z-бозонами, запустил новый амбициозный проект – LEP, или Большой электрон-позитронный коллайдер (Large Electron-Positron Collider), предназначенный для прецизионного изучения этих самых Z– и W-бозонов. Чтобы получать миллионы Z-бозонов в год, необходимо ускорять электроны и позитроны до энергии 45 ГэВ, а ограничивать потери из‑за синхротронного излучения можно только одним способом – максимально увеличивая радиус кривизны. В результате получается огромный ускоритель с окружностью 27 км, который – все в том же волшебном 1983 году, когда Руббиа сделал свое открытие, США отменили “Изабель”, а Ледерман пробил свой SSC, – и начинают сооружать на стометровой глубине.

Основная цель новой установки – измерить все характеристики бозонов, переносящих слабое взаимодействие (в частности их массу и другие свойства), и сравнить их с предсказаниями Стандартной модели. С самого начала планировалось довести энергию пучков до 80 ГэВ, чтобы получать W-бозоны парами, и по возможности продвинуться еще дальше, чтобы отыскать суперсимметрию или бозон Хиггса. Уже тогда продумывался и следующий шаг: в этом тоннеле в дальнейшем можно будет разместить огромный протонный ускоритель. Если технология позволит изготовить сверхпроводящие магниты вдвое большей мощности, чем в Тэватроне, то будут возможны даже столкновения с энергией 14 ТэВ.

Строительство LEP началось без проволочек. Руководство проектом было поручено итальянскому физику Эмилио Пикассо. Пока работы ограничивались осадочными породами обширной женевской равнины, то есть слоями устойчивых отложений, состоящих из галечных морен или компактной молассы, образованной протяженными ледниками горного массива Юрá, когда они простирались до самого моря еще до образования Альп, все шло наилучшим образом. Но везение закончилось, как только механизмы добрались до горных пород. Под Юрá существует сложная система подземных источников воды, настоящий лабиринт рек, давление в которых может достигать 40 атмосфер. Проект несколько раз пересматривался с целью минимизировать протяженность тоннеля под горами. Первоначально предполагавшиеся восемь километров сократились почти до трех – лишь бы обойти стороной все известные водоносные горизонты. Но полностью их миновать не удалось. Глубоко под горным массивом велись взрывные работы, прокладывался тоннель – и вдруг начался кошмар, которого так опасались инженеры, но не предполагали никакие геологические карты: в тоннель под высоким давлением ворвалась струя воды. До завершения строительства оставалось всего несколько сотен метров, но работы пришлось немедленно останавливать. Потом, много лет спустя, именно на этом участке ускорителя, в секторе 3–4, в 2008 году произойдет сбой, который выведет из строя на целый год уже LHC.

Несмотря на все трудности подобного рода, проект завершили в срок, и 14 июля 1989 года огромная инфраструктура была торжественно открыта президентом Франции Франсуа Миттераном. Дату выбрали не случайно. Великое кольцо, гордость европейской техники, удачно вписалось в проникнутые величием празднования двухсотлетия Французской революции.

И едва LEP коллайдер начал работать и давать прекрасные результаты, как Карло Руббиа – да, это опять был он, только что назначенный генеральным директором ЦЕРН, – вновь бросил вызов США, которые незадолго до этого одобрили программу строительства SSC: в 1990 году он объявил на весь мир, что в только что построенном кольце LEP скоро будут циркулировать протоны LHC – европейской альтернативы SSC.

Энергия нового ускорителя ограничивалась размерами кольца. Какие бы суперсовременные сверхпроводящие магниты ни устанавливались по окружности в 27 км, подобраться к энергии в 40 ТэВ, запланированной для SSC, было немыслимо. 14 ТэВ LHC означали, что массивных частиц вроде бозона Хиггса удастся получить меньше; соответственно, уменьшались шансы выиграть соревнование с американцами. Но то, что проиграно за счет энергии, можно отыграть за счет светимости. По мысли Руббиа, светимость LHC должна была в десять раз превосходить светимость SSC. Однако высокая светимость подразумевает очень интенсивные пучки, в которых находится такое большое количество частиц, что с ними практически невозможно совладать; детекторы будут фактически поджариваться радиацией. Чтобы как‑то справиться с этим, требовались значительно более совершенные технологии, чем те, на которые в то время можно было рассчитывать. Казалось, подобная мысль могла осенить только безумца.

За работу взялись физики и инженеры – им надо было наполнить проект деталями. Руководить процессом Руббиа пригласил еще одного итальянца – Джорджо Брианти, одного из ведущих специалистов по ускорителям и магнитам. Выбор оказался как нельзя более удачным. Брианти придумал новаторское решение, которое позволило добиться огромной экономии. Вместо того чтобы строить две независимых линии для двух пучков протонов, движущихся в противоположных направлениях, он предложил разместить две отдельные вакуумные трубы, в которых циркулируют пучки, в одном и том же магните. Эта потрясающая идея помогла вдвое сократить количество магнитов для ускорителя!

Таким образом, LHC, уже использующий тоннель и инфраструктуру LEP, мог бы значительно сэкономить и на магнитах. Для него требовалось построить 1 250 дипольных магнитов, а не 2 500, необходимых в традиционной схеме. Короче говоря, LHC должен был обойтись дешевле SSC, но дать схожие результаты. Многие считали эту идею блефом, однако жребий был брошен.

…И вот наконец 6 августа 1992 года. В Далласе, среди удушающей жары, проходит XXVI конференция по физике высоких энергий, посвященная новому великому американскому научному предприятию. Тысячи физиков со всего мира собрались в месте, где США символически собираются подтвердить свое превосходство. Нас везут в Уоксахачи, где мы видим совершенно новые испытательные линии с первыми магнитами, работающими в соответствии с техническими требованиями. Мы посещаем большие, недавно построенные, но уже полные людей здания. Спускаемся, надев каски, в огромные шахты – преддверия тоннелей. Их уже прорыто несколько километров, и будущее выглядит радужным и безоблачным. Все готово к грандиозному торжеству.

Когда берет слово Руббиа, в конференц-зале становится до неправдоподобия тихо. Карло обрушивает на аудиторию каскад стремительно следующих один за другим слайдов. Вывод, им сделанный, совершенно ясен: LHC будет готов к 1998 году, на нем будет делаться та же физика, что и на американском SSC, но обойдется она вдвое дешевле.

Американцы, привыкшие чувствовать себя отличниками, не любят, когда им так агрессивно, едва ли не нагло дышат в затылок; вот и сейчас они не могут скрыть своего раздражения европейцами и полагают, что Руббиа блефует. Расходы на строительство LHC не будут настолько малы, магниты наверняка не удастся изготовить в срок – но вызов уже брошен, и публика понимает, что игра пойдет всерьез.

Пока в Европе группа амбициозных молодых ученых разрабатывала детекторы невозможных конструкций для LHC, команда SSC в США, пытавшаяся отвечать на инициативы ЦЕРН, начала испытывать серьезные трудности. В особенности это касалось финансирования.

Первый пересмотр сметы расходов был проведен еще в 1989 году, и в результате начальная смета возросла до 5,9 млрд долларов. Позднее, для более надежной регистрации реакций при столкновениях, комиссия экспертов предложила изменить конструкцию магнитов – с тем, чтобы диаметр вакуумной трубы можно было увеличить с 4 до 5 см. Казалось бы, это мелочь, но такое изменение конструкции неизбежно влекло за собой некоторое уменьшение магнитного поля внутри сверхпроводящих катушек, так что бюджет пришлось пересматривать заново: надо было либо магниты ставить чаще, либо тоннель удлинять. Короче говоря, к 1991 году стоимость проекта достигла уже 8,6 млрд долларов. Когда же после энного по счету пересмотра весь проект потребовал вложения 11,5 млрд долларов, стало понятно, что чаша терпения народных избранников переполнена и катастрофа неминуема. 27 октября 1993 года, спустя десять лет после закрытия проекта “Изабель” и всего через год после вызова, брошенного в Далласе Карло Руббиа, Конгресс США подавляющим большинством в 283 голоса против 143 окончательно закрыл проект SSC. К этому времени было потрачено 2 млрд долларов на 23 км тоннеля, который на долгие годы останется немым укором, напоминающим об одном из самых громких научных провалов ХХ века. Полторы тысячи физиков, инженеров и техников, работавших над проектом (причем некоторые из них – не один год) были уволены буквально за пару недель.

Это стало шоком для всего мирового научного сообщества и колоссальным ударом по американскому сообществу физиков, специализирующихся в области физики высоких энергий. Им, возможно, уже никогда не оправиться от последствий такого потрясения.

По иронии судьбы, в тот самый год, когда строительство SSC было окончательно остановлено, Леон Ледерман, один из отцов этого проекта, опубликовал свою самую известную книгу, привлекшую к охоте за бозоном Хиггса интерес широкой публики: The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question?[21].

Детекторы невозможных конструкций

Прошло уже более 20 лет с начала 1990‑х, времени, когда мы небольшими группами собирались в ЦЕРН, чтобы поговорить о LHC – новом, тогда только еще проектируемом ускорителе. Я и сегодня отлично помню и споры о принципах, которые должны лежать в основе конструкции гигантских детекторов, и чертежи этих детекторов, набросанные шариковой ручкой на бумажных салфетках в кафетерии ЦЕРН.

Это была пора горячих споров, невероятного энтузиазма и горьких разочарований. Случались, конечно, и конфликты, иногда весьма серьезные, вовлекавшие в себя немалую часть наших коллег, которые считали нас слегка помешанными, ибо технологии, предлагаемые нами, были слишком уж завиральными, а высокая светимость коллайдера, которой мы стремились достичь, – разрушительной для него. Многие из более опытных ученых смотрели на нас снисходительно, словно думая про себя: “Дай бог нашему теляти волка споймати… вот только шансов‑то маловато”. А иные недоуменно поднимали брови, глядя на новое поколение сорокалетних физиков, которые почему‑то верили, будто у них получится то, что до сих пор не удалось никому: открыть бозон Хиггса.

Мечта нашей немногочисленной группы энтузиастов стала сегодня реальностью и, как это частенько случается, представляется со стороны непрерывной чередой успехов на пути к славе. На самом же деле это была авантюра, рискованная и очень трудная: рассчитывая на победу, мы осознавали и опасность сокрушительного провала.

Современный детектор элементарных частиц в чем‑то схож с огромной цифровой фотокамерой. Принцип его работы прост. В каждом ускорителе есть одна или несколько специальных зон, называемых зонами взаимодействия, где пучки фокусируются в предельно малом объеме и пересекаются и где происходят столкновения. Частицы, рождающиеся в результате подобных столкновений, надо зарегистрировать и распознать, и для этого используются целые системы детекторов – аппаратные комплексы, каждый из которых включает в себя высокочувствительные датчики, способные зафиксировать мельчайшие всплески энергии при вылете частиц из зоны взаимодействия.

В ускорителе протоны движутся очень плотными сгустками: в каждом сгустке примерно сто миллиардов протонов. Оказавшись в зоне взаимодействия, сгусток сдавливается еще больше – в нитевидную область диаметром около 0,01 мм и длиной 10 см. Временной интервал между двумя соседними сгустками составляет двадцать пять наносекунд (то есть миллиардных долей секунды), а всего в LHC может одновременно разгоняться до 2 800 сгустков. Это значит, что, поскольку столкновения двух сгустков протонов в LHC также идут сериями определенной продолжительности, нужно, чтобы серии столкновений чередовались со строго определенными интервалами, которые регулируются очень точной схемой синхронизации. Датчики, окружающие зону взаимодействия, получают сигнал о приходе очередного сгустка, и именно на момент прохождения сгустка столкновений активируются цепи, регистрирующие, что происходит вокруг зоны взаимодействия.

Все надо проделывать очень быстро – времени между сгустками мало, и детекторы должны успеть подготовиться к регистрации событий, вызываемых следующим сгустком. Вот тут‑то и срабатывает аналогия с современными цифровыми фотокамерами. Изображение столкновения состоит из 100 миллионов пикселей, каждый из которых формируется отдельным датчиком, – одним из множества датчиков, распределенных по всему объему детектора. Это изображение записывается на диск, чтобы можно было спокойно (так сказать, офлайн) изучить его после окончания эксперимента.

Размер каждого изображения – один мегабайт; этим параметром оно мало отличается от обычной цифровой фотографии. Другое дело скорость: детекторы LHC делают цифровые снимки в невообразимом ритме 40 млн в секунду. Если хранить их все, объем данных окажется непомерно большим. Ни одна система передачи не справится с таким плотным потоком информации – сорок терабайт в секунду! А если бы она даже и справилась, мы все равно бы не знали, где хранить всю эту информацию. Для записи ее на 10‑гигабайтные DVD нам понадобилось бы использовать 4 000 дисков в секунду, то есть за год работы у нас скопилось бы 40 млрд дисков[22]. Если сложить их в стопку, то получится столб высотой в 40 000 км.

Для решения этой проблемы в детекторы встраиваются десятки тысяч микропроцессоров, преимущественно связанных друг с другом. Регистрируя локальные сигналы от частиц, испущенных при столкновениях, эти микропроцессоры восстанавливают глобальную картину события и очень быстро определяют тип произошедшего столкновения. Как мы уже видели, в подавляющем большинстве случаев при столкновении протонов в результате уже хорошо изученных физических явлений рождаются более легкие частицы, и такие события можно сразу отбрасывать, сосредоточив все внимание на потенциально интересных событиях, встречающихся очень редко. Цепь, осуществляющая такой отбор, называется триггером – в этом названии заключается намек на спусковой механизм автоматического оружия. Благодаря ему решение о том, стоит ли записывать событие, принимается за несколько миллионных долей секунды. Из сорока миллионов событий, происходящих за одну секунду, в итоге останется менее тысячи. Объем информации становится вполне управляемым, однако для этой информации требуется теперь новая информационная структура, основанная на распределенных вычислениях.

Впечатляют и размеры используемой в экспериментах аппаратуры. В результате столкновений высокоэнергетических протонов образуются частицы, распадающиеся на целые струи других частиц с высокой проникающей способностью. Некоторые из них поглощаются только после того, как пройдут несколько метров сквозь вещество датчиков, а другие ускользают даже от самых массивных аппаратов, так что мы можем измерить их характеристики, лишь реконструировав часть их траекторий. Таким образом, физические приборы LHC превращаются в огромные сооружения высотой с пятиэтажный дом и весом с крейсер.

Но и этого мало: датчикам приходится работать очень быстро. Столкновения следуют одно за другим с такой бешеной скоростью, что можно использовать лишь самые быстрые регистраторы: они должны за доли секунды среагировать на самые слабые сигналы и тут же вернуться в исходное состояние и приготовиться к следующему событию.

Наконец, поскольку мы делали ставку на высокую светимость, количество частиц, ежесекундно образующихся вокруг зоны взаимодействия, ожидалось чрезвычайно большим. Поэтому все, что находится вблизи этой зоны – датчики, электроника, опорные конструкции, кабели и волокна для передачи сигналов, – должно быть устойчиво к работе в условиях радиации невиданного ранее уровня. В противном случае уже через несколько месяцев или несколько лет хрупкие приборы перестанут работать, а вложенные в них средства будут потеряны.

Гигантские конструкции весом в тысячи тонн, содержащие миллионы сверхбыстро работающих и устойчивых к радиации датчиков, да еще и достаточно “умных”, чтобы за несколько миллионных долей секунды оценить, следует ли сохранить только что зарегистрированное событие или о нем можно забыть… неудивительно, что, когда мы стали говорить окружающим, какими, на наш взгляд, свойствами должны обладать детекторы для LHC, многие сочли нас безумцами. Мы и сами прекрасно понимали, что задача перед нами стоит совсем не простая.

Глава 4

Надежды, страхи, разочарования

Сосиски и черная дыра

Женева,

9 декабря 2008 г., 21.30

До запуска LHC остается всего несколько часов, и вокруг творится нечто совершенно невообразимое, не похожее ни на что в истории физики высоких энергий. Внимание всего мира приковано к тому, что произойдет завтра в Женеве. В ЦЕРН съехались десятки телевизионных съемочных групп и сотни журналистов, которые упорно отлавливают нас в кафетерии или в коридорах наших корпусов, добиваясь интервью или комментария.

Все это безобразие началось несколько недель назад, и сперва на него никто не обращал внимания. Нам тогда стали приходить письма примерно такого содержания: “Остановите эксперимент! Вы рискуете погубить не только себя, но и всех жителей Земли, куда менее высокомерных и тщеславных живых существ, чем вы, ученые-франкенштейны из Женевы”.

Если вы ежедневно получаете тысячи писем, среди них всегда найдется несколько странных. Обычно их достаточно просто выкинуть в мусорную корзину, и на этом все заканчивается. Но в этот раз, похоже, дело было куда серьезнее. Во-первых, потому, что с каждым днем странных писем становилось все больше, а во‑вторых, потому, что, как выяснилось, в Сети параллельно распространялись петиции и алармистские призывы. Один видеоролик даже стал вирусным. Там было показано, как вся Земля за несколько мгновений поглощается крохотной черной дырой, созданной LHC. Изначально микроскопическая, эта черная дыра быстро растет, засасывая в себя сперва ускоритель, затем Женеву вместе с озером и, наконец, всю планету. Видеоряд был весьма впечатляющим. Ну, а когда даже в таком солидном журнале, как Time, появился материал под заголовком “Коллайдер поднял волну страхов: ждут конца света”[23], всем стало ясно, что пора реагировать и что придется потратить много времени и сил, которые бы нам очень пригодились для последних приготовлений.

Главными возмутителями спокойствия были два странных типа, старательно пытавшиеся привлечь к себе всеобщее внимание еще с марта предыдущего года. Одного – немецкого химика-пенсионера – звали Отто Рёсслер, а второго – Вальтер Вагнер. Вагнер, живущий на Гавайях, перед тем как выйти на пенсию, трудился в сфере безопасности реакторов. Последние десять лет он посвятил судебным тяжбам со всеми, от кого зависело строительство любого нового ускорителя, так как был уверен, что ускорители могут уничтожить Землю. Однако до сих пор его никто не воспринимал всерьез. Что же до Рёсслера, то он даже обращался в Европейский суд по правам человека, но – безрезультатно.

Ожидание первых пучков протонов в тоннеле LHC просто сводило их обоих с ума. Они неустанно всех запугивали: “Через несколько недель или через несколько месяцев кому‑то из людей случится увидеть луч света над Индийским океаном, вышедший прямо из центра Земли; затем нечто подобное произойдет над Тихим океаном, и это будет началом конца… При первых столкновениях протонов в ускорителе образуется микроскопическая черная дыра, и поначалу никто не обратит на это внимания. Этот крошечный голодный монстр станет притягивать и поглощать все вещество вокруг себя; на протяжении еще нескольких недель ничего заметного глазу происходить не будет, но затем, когда масса чудовища станет макроскопически значимой, никто уже не сможет его остановить и оно в мгновение ока поглотит всю планету – под сопровождение огненных вспышек библейского Армагеддона”.

Живи мы в нормальном мире, никто бы не воспринимал их всерьез, но современное информационное общество вовсе не нормально. Слухи о грядущей катастрофе будят любопытство и тревожат сердца миллиардов людей. Новостные заметки с претензией на сенсацию с броскими заголовками на первых полосах газет привлекают всеобщее внимание и отлично продаются. Достаточно кому‑нибудь одному опубликовать что‑то подобное, и за ним неизбежно потянутся многие другие. В таких случаях использование рациональных аргументов бесполезно, потому что испуганный человек не рассуждает, а спасается бегством. Тут уж ничего не поделаешь. ЦЕРН публикует подробный, на десятки страниц, отчет, в котором доказывается, что все используемые противниками ускорителя аргументы – дикая чушь, что LHC ни при каких обстоятельствах не исторгнет из себя ничего опасного. Но коллективный психоз не поддается излечению. Год за годом мы объясняли журналистам, что микроскопические черные дыры, даже если они паче чаяния и родятся в LHC, мгновенно испарятся, оставив по себе едва заметные следы только в наших регистраторах; что энергии, вырабатывающиеся в нашем ускорителе (который кажется нам гигантским и которым мы так гордимся), ничто по сравнению с космическими лучами, бомбардирующими Землю вот уже миллиарды лет… и так далее и тому подобное.

Больше всего меня огорчает то, как болезненно это отражается на людях с неустойчивой психикой. Ведь, наверное, и в самом деле есть такие, кто по‑настоящему боится, что сейчас все закончится; такие, кто действительно страдает, – к примеру, матери, тревожащиеся за будущее своих детей… а у нас не получается их успокоить.

В 21.30 я получаю по электронной почте сообщение от Серджо, моего старого друга из Пизы, и оно немного поднимает мне настроение. Он пишет, что следит за всеми дискуссиями о черной дыре в Сети, но не очень‑то верит слухам. Он только что поужинал. До отвала наелся сосисками на гриле – это его любимое блюдо. Выпил немало хорошего вина, хранящегося у него в погребе. И тут его посетило мучительное сомнение. А что если то, что говорят паникеры, правда? Что если по прошествии нескольких часов всему наступит конец? Серджо знает, что я нахожусь в сердце урагана и что от меня можно получить новости из первых рук. Он вспомнил о нашей старой дружбе и хочет правды. “Гвидо, если у тебя есть хоть малейшее сомнение, дай мне, пожалуйста, знать. Если все действительно может скоро закончиться, я без колебаний доем оставшиеся сосиски”.

Плача от смеха, я посоветовал ему идти спать и главное – оставить сосиски в покое: у него будет достаточно времени, чтобы доесть свое любимое блюдо завтра или даже послезавтра, дав передышку печени.

Супермикроскопы

Прошло более века с тех пор, как лорд Резерфорд продемонстрировал, что внутреннюю структуру вещества можно исследовать, облучая тонкий лист золота ядрами гелия (которые тогда назывались альфа-частицами), испускаемыми при распаде радиоактивных изотопов. Обнаружив, что некоторые частицы отклоняются на большие углы, Резерфорд увидел в этом доказательство того, что в атоме золота весь его положительный заряд сосредоточен внутри очень маленького ядра. Эксперимент Резерфорда позволил построить модель атома, сохранившую свою актуальность и сегодня: очень маленькое ядро, окруженное облаком электронов, – и открыл путь к квантовой механике (классическая механика не могла объяснить, почему при движении электроны не теряют энергию за счет излучения и не падают на ядро). Именно этот эксперимент стал предтечей современных экспериментов в больших ускорителях частиц.

Вот так, с Резерфорда, и началась погоня за все более и более энергичными снарядами, чтобы с их помощью все глубже и глубже исследовать материю. На смену электронам и альфа-частицам пришли космические лучи – непрерывный поток частиц из космоса с очень высокой энергией, неустанно бомбардирующий нас со всех сторон. Ну, а в 1930‑е, когда стало возможным получать и ускорять пучки электронов и протонов в лабораторных условиях, стартовала эра ускорителей.

Ускоряя электроны, протоны или тяжелые ионы до очень высоких энергий и заставляя их сталкиваться друг с другом, можно получать в очень ограниченном пространстве экстремальные энергии и температуры, характерные для ранней Вселенной. Таким образом, в контролируемых лабораторных условиях возможно воспроизводить всю ту разнообразную “фауну” частиц, что в изобилии населяли Вселенную сразу после Большого взрыва, но не дожили до наших дней.

Иначе говоря, мы можем рассматривать ускорители как супермикроскопы, которые исследуют вещество с помощью самого проникающего из всех доступных нам излучений – очень высокоэнергетических протонов – для того, чтобы выявлять наимельчайшие детали в строении материи.

Будь то частица материи или квант излучения, связанные с каждым из них энергия и длина волны[24] обратно пропорциональны: чем выше энергия, тем короче соответствующая длина волны и тем выше разрешающая способность нашего микроскопа.

Только получаемые в ускорителях электроны и протоны с высокими энергиями позволяют визуализировать детали протона, размер которого порядка фемтометра (10–15 м), или даже внутренние компоненты протона, такие как кварки, размер которых не превышает аттометра (10–18 м). А если у кварков, как и у протонов, тоже есть структура, то и ее можно будет со временем исследовать с помощью частиц, обладающих достаточно высокой энергией; нужно лишь, чтобы соответствующая длина волны не превосходила очень малых размеров этих новых элементарных компонентов материи.

Рассматривая ускорители частиц как супермикроскопы, мы можем думать о них и как о своеобразных машинах времени, способных перенести нас на миллиарды лет назад, чтобы мы могли увидеть явления, происходившие в очень далекие эпохи, в моменты, непосредственно следовавшие за Большим взрывом. Ускорители – это фабрики вымерших частиц, тех частиц, которые возвращаются к жизни из разрушенной структуры вакуума при столкновениях с очень высокими энергиями, частиц, которые вымерли миллиарды лет назад и не населяют больше нашу макроскопическую Вселенную, или же таких состояний материи, что сохранились в настоящее время только в каких‑то отдаленных и совершенно недоступных уголках Вселенной и при очень необычных условиях.

LHC – экстремальная на сегодня точка в этой исследовательской линии.

Самое холодное место во Вселенной

Но построить такой ускоритель, как LHC, совсем не просто. Когда в 1993 году американский проект SSC был закрыт, первоначальный энтузиазм в ЦЕРН быстро сменился тревогой. Руббиа снова оказался прав, но теперь мы уже не могли отступить: строительство LHC – футуристического сооружения, производящего пучки очень высокой интенсивности, с тысячами исключительно сложных магнитов, с системами управления и защиты, которые еще только предстояло изобрести, – надо было доводить до конца. При одной лишь мысли обо всем этом даже у самых отчаянных из экспертов тряслись поджилки и учащался пульс. Каждый из нас терзался сомнениями, по плечу ли нашему коллективу эта задача. А вдруг физики старшего поколения (среди которых, между прочим, есть несколько лауреатов Нобелевской премии) не ошибаются, когда говорят с улыбкой: “Такой аппарат никогда не будет работать”?

Опасения были более чем понятны. Для создания нового ускорителя требовалось совершить качественный скачок. Чтобы удерживать на нужных траекториях протоны с энергией 7 ТэВ, надо было испытать магниты, индукция магнитного поля которых достигает 9,7 Тл, что примерно в сто тысяч раз больше, чем индукция магнитного поля Земли[25]. Такое сильное магнитное поле никогда ранее не использовалось в ускорителях.

Разработанная Джорджо Брианти конструкция магнита – два пучка протонов одновременно проходят сквозь него в противоположных направлениях – элегантна и остроумна, но ее сложно реализовать: малейшая неточность может вызвать катастрофическую неустойчивость траекторий. Удерживать пучки протонов в узком тоннеле в течение 10–12 часов на таких высоких энергиях, чтобы каждый из них пролетал по всей длине тоннеля по 11 000 раз в секунду, – задача чрезвычайно сложная. Незначительное возмущение, любое изменение характеристик 1 232 магнитов, формирующих траектории, может дестабилизировать пучки и поставить под угрозу нормальное функционирование всего ускорителя.

Отдельную проблему представляют управление накопленной в пучках энергией и защита магнитов и оборудования. Энергия, накапливаемая каждым пучком протонов в LHC, сравнима с энергией скорого поезда, разогнанного до скорости 150 км/ч, а ведь она оказывается в каких‑то миллиметрах от чрезвычайно чувствительного оборудования. Такое соседство приведет в ужас любого специалиста по системам защиты. И есть еще энергия, накопленная в самих магнитах, – она тоже может нанести системам ускорителя непоправимый ущерб.

Добавим сюда и вот какое обстоятельство: протоны теряют мало энергии на синхротронное излучение. И хотя для циркулирующего в ускорителе пучка этот эффект неважен, он важен для тех систем, которые функционируют при очень низких температурах: поглощенная энергия синхротронного излучения разогревает их, и система охлаждения должна обеспечить надежный теплоотвод.

Наконец, есть просто радиация. На все, что находится в тоннеле, при прохождении пучка обрушиваются потоки частиц, и это является суровым испытанием для любой системы. Цепи питания и систем управления должны выживать в условиях, в которых обычная электроника через пару месяцев вообще перестает функционировать. То есть все должно быть спроектировано с использованием инновационных компонентов, которые нам самим и предстоит разработать; к тому же требуется создать еще и новые материалы, чтобы заменить ими те, которые стали бы деформироваться или разрушаться в местах с наиболее жесткими условиями.

Для решения столь амбициозных задач был выбран Лин Эванс, харизматичный, несколько грубоватый валлиец, сын шахтера из деревни с непроизносимым названием Квмбах, затерянной среди окружающих Кардифф холмов.

Спустя годы, в один из тех спокойных вечеров, что мы проводили с пинтой хорошего пива, Лин рассказал мне, что его интерес к физике зародился еще в детстве. Кроме того, ему до сих пор памятна радость от небольших взрывов, которые он устроил дома, изображая маленького химика. Его первой лабораторией стала домашняя кухня, а первым вознаграждением за эксперименты были увесистые шлепки, полученные сначала от матери, а потом и от вернувшегося вечером из шахты отца.

Лин крепок телом, и он прирожденный лидер. Он редко улыбается, и, общаясь с ним, все слегка трепещут. Он никогда не кривит душой и бывает довольно резок, но при этом ему известны все тайны ускорителей. Когда в 1994 году, после ухода Джорджо Брианти на пенсию, проект возглавил Лин, все признали, что лучшей кандидатуры было не сыскать. Если кто и мог справиться с поставленными задачами, то как раз он. И он действительно занимал эту должность целых четырнадцать лет, до тех пор, пока ускоритель не начал работать.

Личные качества Лина отражаются на всем ходе проекта, и это сразу заметно. Нереальные сроки, названные Руббиа, оказались именно тем, чем они и казались: блефом, рассчитанным на то, чтобы раздразнить американцев. Тем не менее проект был утвержден и профинансирован. Лин привлек к работе сотни инженеров и физиков со всего мира. Он обратился за помощью к Индии – и ЦЕРН получил высококлассных специалистов по тестированию массово производящихся магнитов. Он обратился к России – и лучшие специалисты из Новосибирска занялись изготовлением оборудования для линий передачи пучков из предварительного ускорителя поменьше в основное кольцо LHC. Для изготовления специальных магнитов, фокусирующих пучки в зонах столкновений, он попросил помощи у американских специалистов из Фермилаба и у японских специалистов из лаборатории KEK. Как бы велика ни была роль ЦЕРН, с самого начала было ясно, что в одиночку ему со стоящей перед ним задачей не справиться.

Лучшие физики и инженеры ЦЕРН сосредоточились на разработке критически важных систем – магнитов, оптики и систем управления и охлаждения.

Для охлаждения магнитов используется жидкий гелий при температуре –271,1 °C, что на 1,9 градуса выше абсолютного нуля и на один-два градуса ниже, чем в системе охлаждения магнитов Тэватрона. Таким образом, температура тут примерно на один градус ниже температуры космических глубин, и LHC в этой своей части становится самым холодным местом во Вселенной. Снижение температуры, даже незначительное, означает получение существенных преимуществ для работы магнитов. Чем больше индукция магнитного поля и чем выше плотность тока, тем ниже температура, которой надо достичь для поддержания стабильного состояния сверхпроводимости в обмотках магнитов.

Понятно, что работать приходилось на грани возможного. Неудача с “Изабель” послужила горьким уроком, надолго оставшимся в памяти исследователей. Лин понимал, что создание прототипа, соответствующего техническим требованиям, важно, но что это – всего лишь полдела. Организовать промышленное производство тысяч практически идентичных магнитов – задача совсем другого уровня. Мы говорим об игрушках длиной 16 м и массой 27 т. Собрать их вместе – отдельная сложнейшая проблема. Они должны стоять на горизонтальной плоскости с очень небольшим углом между соседями, создавая нужную кривизну траектории частиц по всему кольцу ускорителя и учитывая все деформации, возникающие при переходе от нормальной температуры в цехах, где они создаются, к рабочей температуре –271,1 °C. Мало того: и сверхпроводники обмоток катушек, и разделяющие их тонкие слои изолятора должны быть подогнаны настолько точно, чтобы магнитные поля внутри магнитов различались не более чем на одну сотую процента.

Когда до решения проблемы остается крохотный, но сложный шажок, частенько приходится искать помощи у итальянцев. На этот раз обратились к Лучио Росси – миланскому профессору, специалисту по магнитам и к тому же талантливому управленцу. Именно он работал над первым прототипом магнитов LHC – и тот оказался успешным. Магнит, который Брианти демонстрировал в ЦЕРН в 1994 году и который сыграл решающую роль при утверждении всей программы строительства коллайдера, был полностью изготовлен в Италии в рамках сотрудничества с Национальным институтом ядерной физики.

В 2001 году Лин снова выбрал Лучио для управления критической фазой проекта, и тот не колебался ни минуты. Он оставил свои университетские лекции, с головой окунулся в дела нашего тоннеля и преисполнился не только присущего нам всем энтузиазма, но и общих для нас страхов и тревог. К своей же обычной жизни он вернулся лишь спустя несколько лет, после того, как в ускорителе установили последний магнит. Для изготовления 1 232 сверхпроводящих магнитов LHC в ЦЕРН разработали не только их подробную конструкцию, но и все необходимое для работы оборудование. В проекте участвовали три компании – итальянская, французская и немецкая; каждой из них предстояло осуществить третью часть поставок. Если бы одна из компаний по какой‑то причине замешкалась, две другие могли бы взять на себя ее часть задачи. Конечно, не обошлось без задержек и всяческих сложностей, но в конце концов мы справились – а ведь это была важнейшая составляющая грядущего успеха нашего коллайдера.

Однако бесчисленные технические и финансовые кризисы, сопровождавшие строительство ускорителя, никак не прекращались. Изготовление магнитов, или систем охлаждения, или оборудования для получения глубокого вакуума, или даже магнитов для фокусировки пучков перед их выводом в зону столкновения (которые по идее были относительно стандартными и которые должны были делать американцы и японцы)… в общем, проблемы подстерегали нас буквально на каждом шагу, и нам приходилось отвлекаться на многочисленные непредвиденные модификации и доработки. Из-за этого, естественно, росли затраты и срывались сроки запуска ускорителя.

1998 год – первоначальная дата, которой Руббиа запугивал сторонников продолжения строительства SSC в Далласе, – была быстро забыта. Впрочем, все понимали, что она послужила лишь инструментом: он воспользовался ею как тореадор мулетой, которой дразнят быка, чтобы тот, пригнув голову, бросился в атаку и подставился под удар. В итоге, из‑за технических задержек и необходимости покрывать дополнительные расходы, дело медленно, но верно растянулось на целое десятилетие. А браво заявленные в 1994 году траты в 2,66 млрд франков постепенно превратились в гораздо более реалистичные 4,6 млрд. Эта сумма оказалась посильна ЦЕРН только благодаря десятилетнему кредиту и значительным сокращениям персонала и общих операционных расходов.

Ссора с начальством

Пока Лин и его команда сражаются с трудностями, в нескольких сотнях метров от корпусов, где проходят испытания прототипов магнитов, ведутся жаркие споры. Тема споров – большая проблема экспериментальной физики, обозначившаяся задолго до официального запуска строительства LHC. О ней заговорили еще в 1984 году, сразу после начала строительства LEP, но поворотный момент наступил в 1990‑м, когда сотни молодых физиков собрались в Ахене – древнем Аквисгрануме, откуда Карл Великий правил Священной Римской империей и где до сих пор цел его каменный трон.

Механизм, с помощью которого предлагаются новые эксперименты и формируются крупные международные коллаборации, устроен следующим образом: инициатива исходит от отдельных людей или от небольших групп, которые спонтанно выступают с докладами, пишут статьи, выдвигают идеи и обсуждают их на разных престижных площадках – в крупных исследовательских лабораториях или в прославленных университетах. Но до одобрения проектов еще далеко, вдобавок всегда существует риск, что даже одобренный проект потерпит фиаско, как это произошло с “Изабель” и SSC. Этот начальный этап прекрасен: ему присущи хаос и необузданность, и на нем можно предаваться самолюбованию, предлагая самые футуристические идеи, – иногда совершенно нереализуемые, а иногда революционные, ломающие прежние парадигмы. Затем следует процесс отбора, в ходе которого идеи фильтруются и очищаются; одновременно на самом нижнем уровне обсуждаются перспективы сотрудничества, спонтанно формируются небольшие группы, члены которых разделяют один и тот же подход; эти группы постепенно начинают напоминать что‑то вроде протоколлабораций. И тогда формулируется конкретное предложение: словно сотни диких цветов, распустившихся на предыдущем этапе, упорядочиваются и преобразуются в целостный проект сада. Предлагается эксперимент, который описывается в коротком документе – письме о намерениях, содержащем общие принципы, цели и основные технологии, необходимые для их достижения.

В этот момент начинается второй, менее спонтанный и более структурированный этап, в ходе которого в игру вступают финансирующие агентства, крупные лаборатории, организованные группы и международные боссы физики высоких энергий. Возникают крупномасштабные коллаборации, которые учитывают необходимые ресурсы, запрашивают согласие наиболее важных институтов и иногда идут на компромиссные изменения в проекте, чтобы заручиться политической и финансовой поддержкой. Предложение о проведении эксперимента превращается в четко сформулированный план, который инженеры преобразуют в более подробные чертежи; стоимость проекта оценивается точнее, и становится ясно, как будут распределены обязанности по строительству.

Настоящий отбор, причем очень жесткий, происходит только в конце этого процесса. Одни предложения принимаются, другие безоговорочно отвергаются; к реализации допускаются лишь официально одобренные эксперименты.

Я познакомился с Мишелем Делла Негра в Ахене в октябре 1990 года. Я тогда с огромным трудом выцарапал себе эту поездку и даже поссорился из‑за нее со своим начальником. Он не хотел, чтобы я тратил силы на проект, из которого, как он утверждал, никогда ничего не выйдет. Мою затею он считал напрасной тратой времени. Члены группы, в которой я тогда работал, были ошеломлены, услышав крики из моего кабинета. Нехорошо, конечно, разговаривать на повышенных тонах, но в тот раз я по‑настоящему завелся. Что уж такого особенного я попросил? Позволить мне съездить на несколько дней в Германию на конференцию, посвященную новым детекторам, – вот и все! У меня была идея, которая, хотя и казалась мне дурацкой, однако же могла сработать, и я хотел поехать в Ахен, чтобы представить ее и обсудить с сотней безумцев, мечтающих открыть бозон Хиггса на LHC. Но мой шеф отнесся к этой затее плохо, очень плохо. Возможно, он понял, что будет дальше, даже раньше, чем понял это я сам: совсем скоро я уйду создавать другую группу, свою собственную. Да, возможно, уже тогда он догадывался, что наши пути вот-вот разойдутся навсегда.

Но в тот момент мной владело чувство ответственности, и оно требовало, чтобы я поехал в Ахен и изложил там свои идеи. В общем, начальник стал мне угрожать, а я сорвался и наговорил ему грубостей. В конце концов я все‑таки отправился на конференцию, но наши отношения испортились непоправимо. Этот эпизод я часто рассказываю самым молодым своим сотрудникам: “Если у вас есть мечта, не слушайте тех, кто пытается вас остановить, пускай даже это будут самые авторитетные физики мира: следуйте за своей страстью; возможно, осуществить мечту вам и не удастся, но вы точно не пожалеете, что попытались”.

Кристальное сердце CMS

Итак, я поехал в Ахен и предложил использовать кремниевые элементы в трековых камерах. Трековые детекторы – это сердце современных экспериментов по физике частиц, самая важная часть огромной цифровой камеры, которая реконструирует события. На этапе сооружения ускорителя именно эта часть зачастую оказывается наиболее сложной, поскольку детекторы устанавливаются вокруг зоны взаимодействия, находящейся непосредственно за пределами вакуумной трубы, в которой происходят столкновения. Их назначение – регистрировать очень слабые следы пролета сотен заряженных частиц, образующихся в зоне взаимодействия, определять параметры их траекторий и измерять их характеристики. Ожидаемые энергия и светимость LHC настолько велики, что все применявшиеся до тех пор технологии не годились. Предчувствие, что эта проблема может оказаться главным камнем преткновения, тревожило очень многих, в том числе и Руббиа. Карло предложил детектор типа “железный шар” – и вовсе не в шутку. Он считал, что реконструировать траектории частиц в коллайдере невозможно и что ни один детектор не выдержит тех адских условий, которые возникнут в центре зоны столкновений и вблизи нее во время работы ускорителя, и потому предлагал установить вокруг зоны взаимодействия огромную железную сферу многометрового диаметра и оснастить ее внешнюю сторону мюонными детекторами. Все частицы, образующиеся в зоне взаимодействий, будут поглощаться железом, и только мюоны, обладающие наибольшей проникающей способностью, смогут покинуть возникший “ад”. Тут‑то бозон Хиггса, распадающийся, согласно Стандартной модели, на четыре мюона с высокими энергиями, и попадется. Однако мы полагали подход Руббиа ошибочным. Без информации о том, что происходит в сердце ускорителя, открытие бозона Хиггса было бы невозможно. Требовалась уверенность, что четыре мюона приходят точно из одного и того же места и что они не образуются в результате случайно накладывающихся взаимодействий или распада других частиц.

Детекторы с кремниевыми элементами – одна из технологий, в которых я разбираюсь лучше всего. Я принадлежу к числу ведущих мировых экспертов по этому вопросу. Еще будучи совсем молодым, я стал в данной области едва ли не пионером: мы с шефом, тем самым, с которым я потом поссорился, разработали первые детекторы в лабораторных условиях и проверили их работоспособность. Когда мы ввели их в эксперимент, они позволили увидеть настолько четкие детали частиц, что сразу стало возможно большое количество новых измерений.

Тонкие кристаллы сверхчистого кремния, подобные тем, что используются в электронных устройствах, можно сделать чувствительными к прохождению заряженных частиц. В пластинках возможно сформировать множество электродов, расположенных на расстоянии нескольких сотых долей миллиметра друг от друга, которые собирают крошечное облако заряда, образующееся при пролете частицы. Сверхчувствительные усилители регистрируют сигнал, так что точки траектории известны с точностью до нескольких микрон, и восстановить следы, как под микроскопом, – дело нехитрое. С помощью кремниевых детекторов можно визуализировать детали взаимодействий, которые в противном случае были бы совершенно размыты.

Моя идея заключалась в том, что кремниевые элементы – самый правильный выбор для коллайдера. Правда, когда я заговаривал об этом, у собеседника обычно удивленно открывался рот. Еще бы! В условиях LHC нынешние детекторы продержались бы всего несколько недель. Излучение меняет характеристики кремния, и, если не принять специальные меры, детекторы быстро придут в негодность. Кроме того, никто пока не научился производить такие кристаллы в больших количествах, а нам они были нужны сотнями квадратных метров. Это очень дорогое и сложное изделие, изготовить которое под силу лишь нескольким компаниям в мире. Для оснащения приборов LHC нам требовалось в сотни раз больше кристаллов, чем можно было получить в 1990‑е годы, а стоить они должны были в десятки раз меньше. Вдобавок мы не знали, как создать необходимую электронику для считывания данных. Мы нуждались в миллионах миниатюрных усилителей, которым пришлось бы выдерживать радиацию устрашающего уровня. Одним словом, чистое безумие.

Когда я заговорил об этом с Мишелем Делла Негра, его глаза тут же заблестели и он сказал: “Идея кажется мне отличной. Почему бы вам не присоединиться к нам и не попробовать вместе воплотить ее в жизнь?”

Мишель Делла Негра – французский физик, чье имя выдает итальянское происхождение. Он учился в Парижской политехнической школе и работал вместе с Руббиа над открытием W– и Z-бозонов. Как и другие талантливые молодые люди, по окончании эксперимента он предпочел пойти собственным путем и дистанцировался от прежнего шефа, известного авторитарным характером и склонностью подавлять и отодвигать в тень любого, даже самого блестящего своего соавтора. Верным соратником Делла Негра был его заместитель, британский физик индийского происхождения Теджиндер Верди, которого все называли Джимом. Сикх, родившийся в Кении, он закончил университет в Англии и, будучи по натуре бойцом, упорно боролся с предрассудками и всевозможными препятствиями в таком крайне консервативном научном истеблишменте, как английский. Он тоже работал вместе с Руббиа, познакомился в то время с Мишелем, подружился с ним, и они оба решили попробовать трудиться независимо.

Встреча с Мишелем в Ахене изменила мою жизнь. Я присоединился к CMS главным образом потому, что Мишель мне сразу понравился. Он на несколько лет старше меня, целеустремленный, солидный и очень компетентный, хотя и совершенно не склонный хвастаться своими достоинствами. Именно Мишель и помогавший ему Джим предложили простой и элегантный дизайн CMS, который мы неделями обсуждали за столиками в кафе, заполняя салфетки каракулями. Этот дизайн покорил меня и своей красотой, и какой‑то сияющей бескомпромиссной ясностью.

Мы воспользовались той же успешной философией, что привела к открытию W– и Z-бозонов. Руббиа сделал ставку на их электронный распад. Для этого он установил в магнитном поле центральную трековую камеру и окружил ее электромагнитным калориметром – счетчиком, который поглощал электроны и фотоны, измеряя их энергии. Внутри магнита реконструировались треки и измерялись импульсы электронов, полностью распознававшиеся в момент поглощения их калориметром.

Идея была идеальной для того эксперимента, что проводился на базе Протонного суперсинхротрона SPS. А у LHC светимость будет в десять тысяч раз выше. К тому же в 1990‑е годы никто не знал, удастся ли идентифицировать следы электронов среди сотен других частиц, образующихся при столкновениях. Поэтому на сей раз Мишель решил сделать ставку на мюоны. Будучи тяжелее электронов, мюоны меньше взаимодействуют с веществом и могут проходить сквозь его слои толщиной в десятки метров.

В середине CMS расположен один гигантский цилиндрический магнит, внутри которого находятся и трековая система, и калориметры, организованные в виде слоев пластин различных материалов, способных поглощать менее проникающие частицы. А снаружи этот магнит одет слоем железа, образующим ярмо магнита с чередующимися мюонными камерами: их задача в том, чтобы реконструировать траекторию мюонов – единственных заряженных частиц, которым удалось вылететь наружу.

Образующиеся при столкновении мюоны с большой поперечной энергией, то есть движущиеся перпендикулярно оси столкновений, оставят следы в пиксельном детекторе внутри трековой камеры, пройдут через калориметры, никак с ними не провзаимодействовав, и вновь зарегистрируются специализированными детекторами за пределами магнита. Калориметры поглотят все остальные частицы, а мюоны однозначно идентифицируются, когда следы во внутреннем трековом детекторе будут ассоциированы с траекториями, реконструированными в мюонных камерах.

Такая вот схема – архетипический детектор, мечта любого физика-экспериментатора.

Момент выбора

В начале 1990‑х годов сложились четыре протоколлаборации LHC. Кроме CMS, тут был еще эксперимент L3p, тоже основанный на использовании большого центрального соленоида, который использовался в эксперименте L3 на LEP; остальные два эксперимента, EAGLE и ASCOT, основаны на тороидальном магнитном поле, свернутом как бублик, что принципиально отличает его от цилиндрической геометрии CMS. EAGLE разрабатывала группа исследователей под руководством Петера Йенни[26], швейцарского физика, который участвовал в эксперименте UA2, – неудачливом конкуренте Руббиа во время открытия W– и Z-бозонов. Проигрыш потряс членов команды, и они поклялись себе, что такое никогда больше не повторится.

Во время работы над UA2 Петер познакомился с молодой итальянкой, сотрудницей миланского Национального института ядерной физики. Она прекрасно разбиралась как в теоретической физике, так и в разработке новых детекторов. Миланская группа трудилась над созданием прототипа новой разновидности калориметров для электронов и фотонов, который мог бы использоваться в новом ускорителе, обсуждаемом в ЦЕРН. В нашем мире, где до сих пор доминирует мужской пол, эта молодая исследовательница, любительница живописи и музыки, отличающаяся мягкими манерами, пользуется огромным уважением. Она точна и авторитетна, и, когда говорит, все слушают ее молча. Если речь идет о физике, она всегда доходит до сути и никогда не тушуется перед проблемами. В общем, Петер нимало не колебался и сразу пригласил Фабиолу Джанотти присоединиться к сложным исследованиям нового детектора.

Из четырех экспериментов, предложенных для LHC, одобрены были только два. Заключение генерального директора ЦЕРН прозвучало веско и безапелляционно, но в нем содержался завуалированный компромисс: “Почему бы вам не попытаться свести все свои предложения к двум? В одном эксперименте будет использоваться геометрия соленоида, а в другом – геометрия тороида?” Последовали встречи и обсуждения между CMS и L3p с одной стороны и ASCOT и EAGLE – с другой.

Эксперимент L3p возглавлял Сэм Тинг[27], главный герой “ноябрьской революции”[28]. Во время нашей первой встречи я очень волновался. Новость о его открытии облетела весь мир, когда я только работал над диссертацией. Тинг смог зарегистрировать очарованный кварк (добавив, таким образом, четвертый к трем уже известным) – совершенно новую форму материи, и это вызвало в физике высоких энергий настоящую бурю. Нобелевскую премию за свое открытие он разделил в 1976 году с Бертом Рихтером.

И вот передо мной одна из самых легендарных личностей физики второй половины XX века. Первое, что я обнаруживаю в этом гении, – до крайности скверный нрав. Тинг агрессивен, высокомерен и взирает на Мишеля с нескрываемым презрением. Он готов объединить свои усилия с CMS, он сулит множество даров (деньги, специалисты, поддержка многих американских институтов), но при этом решительно настаивает на изменении основной идеи нашего эксперимента – той простой выдающейся конструкции, которая меня сразу же очаровала. Он обещает моря и горы, но хочет, чтобы все было иначе. С научной точки зрения аргументы Тинга не очень состоятельны, однако он явно желает быть тут главным. Все ясно: он, великий нобелиат, так и быть, согласен руководить стайкой неразумных подростков. И когда я вижу, как Мишель, нимало не смутившись, спокойно отвечает, что в таком случае и говорить не о чем, что при такой постановке вопроса CMS сохранит за собой свою независимость, я тут же понимаю, что свой эксперимент я уже выбрал.

И вот итог: L3p и CMS пошли на конкурс независимо, а EAGLE и ASCOT слились, образовав ATLAS (по первым буквам, плюс одна последняя, от A Toroidal Lhc ApparatuS, то есть “тороидальный аппарат Большого адронного коллайдера”). Когда в 1993 году, к удивлению многих, L3p был отвергнут, а ATLAS и CMS одобрены, всем стало ясно, что бывают случаи, когда даже ради политической целесообразности идти на компромисс не стоит. Нас, членов команды CMS, переполнял энтузиазм, но при этом мы твердо знали: по‑настоящему трудная игра только начинается.

Во многих отношениях наша судьба уже предрешена. ATLAS, родившийся из слияния двух экспериментов, навсегда останется и богаче нас, и мощнее, так сказать, в политическом отношении. Но у него есть своя ахиллесова пята: дабы угодить всем вошедшим в него группам, ATLAS вынужденно вместил в себя слишком много трудносовместимых технологий. Он рискует уподобиться слону – могучему, но неповоротливому. CMS как детектор понятнее, и новые сигналы должны идентифицироваться на нем быстрее; но технологии, предлагаемые для этого, настолько футуристичны, что заставить их работать будет совсем не просто.

Гипермиксер

Стоит только эксперименту быть официально утвержденным, как запускаются самые инфернальные механизмы. ЦЕРН тут же создал комитет из групп экспертов, который принялся контролировать происходящее. Ты должен предоставить детальное объяснение про все на свете и подробно спланировать свои будущие действия, составив бесконечный перечень подлежащих достижению промежуточных целей. А в основе всего – неистовый поиск новых сотрудников и завязывание контактов с самыми передовыми компаниями; темп исследований и разработок должен стать бешеным.

Мы словно бы оказались на гигантской карусели, которая крутится с дикой скоростью, или на американских (они же русские) горках, которые сначала затаскивают тебя в стратосферу, а потом обрушивают в глубочайшую из бездн.

Для нас это были годы, полные осмысленной самоотдачи. Мы неделями не вылезали из лаборатории, чтобы запустить очередной “невозможный” агрегат, который мы спроектировали и на создание которого запросили финансирование… но затем нам все равно приходилось “идти по миру” в поисках новых контактов, чтобы уже с их помощью искать тех, кто выделит нам средства и предложит новые идеи для разрешения многочисленных проблем.

При утверждении экспериментов устанавливается их бюджет, то есть по каждому эксперименту определяется потолок расходов; выходить за эти пределы не позволяется. Мы должны были уложиться в 475 млн швейцарских франков – бюджет, одинаковый для обоих экспериментов. Но это не означало, что средства были нам гарантированы. Они появились бы только в том случае, если мы сумели бы убедить ученых по всему миру принять участие в нашем предприятии и побороться со своими финансирующими организациями за помощь в создании CMS.

Любой такой эксперимент – коллективное предприятие, в котором участвует вся планета. Каждая страна – или сама по себе, или в группе с другими странами – действует в рамках одного либо нескольких подпроектов, которые она берется реализовать. Как правило, отдельные блоки экспериментальной установки изготавливаются в различных национальных лабораториях по централизованно заданным спецификациям. Затем все перевозится в ЦЕРН, где собирается, устанавливается и приводится в действие.

Так, мы летим на просторы постсоветской России, чтобы договориться о продаже сотен тонн латуни, которая требуется для наших калориметров. Северный флот ВМФ, базирующийся в Мурманске, выводит из эксплуатации большое количество тяжелых артиллерийских снарядов. Если нам удастся убедить моряков уступить латунь из боеголовок дешевле, чем она стоит на Западе, мы сэкономим миллионы франков. Российские коллеги-физики приходят нам на помощь, и у нас все получается. В результате переплавки одного миллиона снарядов мы получаем триста тонн латуни и таким образом вносим свой вклад в разоружение. Затем мы отправляемся в Таксилу, заветное место в пакистанских горах, где в археологическом музее хранятся артефакты с надежными свидетельствами о пребывании здесь Александра Македонского. Мы летели туда, чтобы осмотреть завод по производству тяжелых танков. На нем можно производить крупногабаритное стальное оборудование, которое будет использоваться для поддержки специального калориметра. Дальше – полет в Японию: тамошняя компания по производству полупроводников обещает изготовить большое количество кремниевых пластин для наших детекторов. Но лучше поехать и проверить все на месте. И мы летим туда и после прелюбопытнейшего завтрака, состоявшего из овощного супа и сырых креветок, натягиваем специальные комбинезоны и ботинки и отправляемся в чистые помещения, где выращиваются и обрабатываются кристаллы кремния. Несколько дней мы обсуждаем с японскими инженерами все детали, чтобы понять, достижимы ли наши цели. А затем мчимся в Корею, чтобы посетить верфи, на которых можно изготовить оборудование для установки магнита.

Все эти поездки нужны еще и для того, чтобы познакомиться с новыми группами и подыскать новых участников коллаборации. Таких поездок было множество, но одна мне запомнилась особенно. Я приехал в Фермилаб, чтобы попытаться привлечь к проекту своих многочисленных друзей: ведь я проработал в этой лаборатории немало лет. Лаборатория по сборке полупроводниковых детекторов, оборудованная между прудами с утками и лужайкой, очень бы пригодилась для производства десятков тысяч элементов, необходимых нам для CMS. Руководил ею мой коллега, физик из Чикаго, с которым мы провели несколько приятных вечеров за столом с любимой едой Текса Уиллера[29] – стейками толщиной в палец и горой картошки фри. По глазам коллеги я понял: он будет в игре; да, я убедил Джо Инканделу присоединиться к нашему предприятию.

То были годы, богатые и на чудесные события, и на конфликты. Временами технологии, предложенные какой‑то группой, не давали желаемого результата; от них приходилось отказываться и сразу начинать искать что‑то иное. Некоторые из тех, кто годами работал над этой технологией, но вдруг осознавал, что она никому не нужна, не могли справиться с разочарованием и даже покидали эксперимент. После мучительных споров пути старых друзей, долгие годы трудившихся бок о бок, все же расходились.

А ведь были еще и кризисы, через которые мы прошли на стадии строительства и касавшиеся в основном наиболее чувствительных компонент. Магнит, трековая камера и электромагнитный калориметр – это технологические жемчужины, делающие эксперимент CMS уникальным. Но их конструкция настолько обогнала свое время, а сами они оказались настолько сложны в изготовлении, что любая неудача с ними могла легко обернуться провалом всего проекта.

О трековой камере сказано уже достаточно. Магнит – это огромный соленоид, цилиндрическая катушка длиной 13 м и диаметром 6 м. При таком размере его можно собрать только по частям, поскольку ни одно устройство в мире не способно совладать с ним как с единым целым. Индукция магнитного поля внутри него должна достигать 4 Тл – это самый большой сверхпроводящий магнит в мире. Но для его обмоток не годился ни один из известных типов кабеля; надо было создавать новый, способный выдерживать электрический ток очень высокой плотности, исключительно стабильный и механически настолько прочный, чтобы он мог выдержать чудовищное – в тысячи тонн силы – растяжение, вызываемое в катушке магнитными силами. Размер катушки не позволял доставить ее в ЦЕРН по автострадам: тоннели были для нее маловаты. Мы разработали план ее погрузки на баржу в Марселе, а затем медленной буксировки по реке Роне – именно так поступали реставраторы великих готических соборов. На последнем участке пути нам пришлось воспользоваться проселками, проходящими через живописные швейцарские деревни, но перед этим еще демонтировать все светофоры и дорожные указатели, потому что иначе катушку было не провезти.

Перейдем теперь к электромагнитному калориметру. Было решено, что свое внимание мы сосредоточим на фотонах и электронах. Наши первоначальные сомнения рассеялись, когда стало ясно, что их можно реконструировать даже в ужасных условиях LHC. Однако нам требовался очень специальный калориметр. Возможность реконструировать на нем распады бозона Хиггса на электроны с очень высокими энергиями – важное достижение. А если бы масса бозона Хиггса оказалась в диапазоне 100–150 ГэВ, то мы смогли бы использовать редкий, но очень чистый распад, служащий верным признаком присутствия этой частицы, – распад на два высокоэнергетических фотона. Сложный электромагнитный калориметр сделал бы CMS еще более конкурентоспособным и увеличил бы его шансы на успех.

И калориметру CMS суждено было стать настоящим сокровищем, соединившим в себе 75 000 сцинтилляционных кристаллов – сверхбыстрых датчиков, реагирующих слабой световой вспышкой на каждый поглощенный его (калориметра) массивным телом электрон или фотон. Измерив, сколько света было излучено, можно с совершенно уникальной точностью определить суммарную энергию поглощенных частиц, но для этого нужно иметь достаточное количество кристаллов достаточной чистоты, изготовить которые, похоже, не был способен никто в мире. Нам требовался совершенно необычный материал: соль, в состав которой входят два непрозрачных и тяжелых металла – свинец и вольфрам. Соединяясь с кислородом, они чудесным образом превращаются в огромные кристаллы, очень плотные и прозрачные. Это истинное чудо химии, секрет которого известен немногим. Мы с трудом нашли завод в России, где производят такие кристаллы; во времена Брежнева он процветал, но потом оказался на грани банкротства. Мы даже отыскали людей, которые знают, как сделать нужные нам кристаллы, но завод находился в совершеннейшем запустении: тигли для их выращивания были снабжены источниками питания 1930‑х годов и в любой момент могли выйти из строя, а когда на крыше таял снег, то вода дождем лилась внутрь цехов. Все оборудование нуждалось в реконструкции.

Так что какие только кризисы не приходилось нам преодолевать! Провод в электромагните не поддавался пайке; кристаллы для калориметра, вероятно, и можно было бы изготовить, но затраты бы при этом удвоились. Первые кремниевые датчики мы получили с множеством дефектов, и работали они не очень стабильно. А позднее, когда нам уже было показалось, будто проблемы разрешились и жизнь возвращается в нормальное русло, вдруг выяснилось, что вся электроника, которую мы предполагали использовать для трековой камеры и калориметра, не работает и ее придется собирать заново. До запуска ускорителя оставались считанные годы, и ATLAS, несмотря на собственную порцию сложностей, бодрым тевтонским шагом двигался к финальной сборке, причем это их продвижение совершенно не походило на беспорядочные скачки и метания нашей “Армии Бранкалеоне”[30], как некоторые называли команду, сплотившуюся вокруг CMS.

Нас поджидал и еще один подвох. Чтобы разместить большие детекторы вокруг зон столкновения, надо было рыть такие огромные подземные залы, что в них с легкостью бы поместился собор Парижской Богоматери[31]. При этом (ну кто бы сомневался!) камера под ATLAS была выкопана в срок и без проблем. Нам же каждый новый месяц работы предлагал новую задачу. После первого же удара киркой мы вынуждены были остановиться, потому что наткнулись на древнеримскую виллу – единственную на много гектаров вокруг. Уже потом выяснилось, что пастбище Чесси, на котором предполагалось возводить инфраструктуру CMS, находится прямо на перекрестке важной римской дороги, у которой расположена вилла IV века, до сих пор изобилующая монетами и артефактами. Когда мы начали рыть большую шахту, то натолкнулись на подземную реку, несущую воды со склонов Юрá к озеру. Чтобы продолжить работу, пришлось возводить вокруг шахты трехметровый ледяной барьер, закачав в нее для этого промышленные объемы жидкого азота при температуре –195 °C. Вскрыв подземную полость, мы обнаружили, что за первый год она накренилась на три сантиметра. Следовательно, нашим высокоточным детекторам грозила опасность: им пришлось бы все время рыскать по неверной поверхности, а нам – навсегда забыть об их юстировке. Однако и на этот раз расчеты инженеров, к счастью, оказались точными: все встало на свои места, когда детектор весом в 14 000 т стабилизировал огромную подземную конструкцию.

Все эти проблемы заставляли нас проводить дополнительные исследования и искать новые решения, из‑за чего накапливалось отставание. Появились острословы, которые – обнаружив в очередной раз, что подземная камера CMS все еще пустует, тогда как камера под ATLAS заполнена оборудованием, вокруг которого кипит жизнь, – принялись коверкать наше название. Я готов был взорваться от негодования, когда слышал в столовой: See-a-mess — то есть “посмотри на бардак”. Злая шутка, хотя в ней и была доля правды.

В те годы мы не раз начинали сомневаться. Не вознамерились ли мы прыгнуть выше головы? Не слишком ли многое себе навоображали? Не слишком ли положились на недостаточно устоявшиеся и ненадежные технологии? Много лет мы существовали в атмосфере всеобщих придирок, и нам было страшно, что у нас ничего не получится. ATLAS работает, как швейцарские часы, а CMS вечно опаздывает. Конкуренты уже определились с цветом кабельных этикеток, а мы все еще не уверены, что у нас есть нужные компоненты детекторов.

Но потом вдруг что‑то поменялось и все заскользило как по маслу. 28 февраля 2007 года нам удалось опустить в раскоп центральный элемент CMS, включая и сам магнит, и я понял, что мы успеем все сделать вовремя. Это была зрелищная операция, прямую трансляцию которой на весь мир вела Би-би-си. Мы потом долго еще не могли отдышаться.

В отличие от ATLAS, который монтировался в своей подземной камере, CMS был спроектирован так, чтобы его надо было собирать, словно конструктор Lego. Гигантский цилиндр был разделен на одиннадцать крупных фрагментов, каждый из которых собирался наверху, а затем они один за другим опускались вниз и вставали в нужное место детектора. Такой модульный подход буквально спас нас. Он позволил изготовить самые инновационные компоненты за несколько недель до начала работы LHC и быстро интегрировать их в нужное место конструкции.

Самый ответственный момент этого этапа – спуск в камеру центральной части CMS, самого тяжелого из всех фрагментов, весом в 2 000 т, состоящего из металла и чрезвычайно хрупких компонентов. Его надо было подвесить на стальных тросах и аккуратно опустить на сотню метров, причем так, чтобы внутри него не возникало даже малейших напряжений. Никто в мире еще не делал ничего подобного, и компании, специализирующейся на большегрузной подъемно-транспортной технике, пришлось разработать совершенно уникальную процедуру. От успеха этой операции зависело буквально все. Если бы ничего не вышло, то не было бы и CMS.

И вот наступает знаменательный день. Все на месте уже к пяти утра, чтобы не пропустить начала работы и в ужасе замирать при малейшем дрожании стальных канатов. Тут Джим Вирди, новый спикер от CMS, менее года назад сменивший на этом посту Мишеля, я, назначенный его заместителем, и Остин Болл, ответственный за строительство и технический координатор эксперимента. Чтобы преодолеть эти сотни метров, требуется много, ужасно много часов. Медленный, изнурительный, бесконечный спуск. Когда в 18.32 огромная конструкция касается наконец пола камеры, все с облегчением аплодируют и даже кричат от радости. Мы, как дети, прыгаем, обнимаемся и обнимаем техников и инженеров. Мы понимаем, что теперь у нас все получится. Ничто уже не сможет остановить CMS.

Ты знаешь, что бозон Хиггса открыли на LEP?

В те пятнадцать лет, что прошли с момента постройки LHC, открылось окно возможностей для обнаружения бозона Хиггса. В первый период работы LEP, когда ускоритель был ориентирован на изучение Z-бозонов, поиски бозона Хиггса давали отрицательные результаты и позволяли лишь установить нижний предел массы этой неуловимой частицы. Но исследования становились все более интересными по мере того, как в LEP увеличивали энергию столкновений. В период с 1995 по 2000 год, пока мы бились над созданием детекторов LHC, LEP достиг энергии 209 ГэВ. И тут произошло нечто из ряда вон выходящее.

До сих пор помню взволнованное выражение лица одного молодого исследователя, который зашел в мой кабинет летом 2000 года рассказать о пронесшемся в кафетерии слухе, будто в одном из экспериментов на LEP обнаружили бозон Хиггса с массой 114 ГэВ. Вскоре об этом уже заговорили все, а в сентябре был организован семинар, на котором представили результаты. Похоже, слухи действительно имели под собой основание. Слабые сигналы фиксировались более чем в одном эксперименте, и данные выглядели вполне согласованными, хотя количество наблюдаемых событий было чересчур велико по отношению к предсказаниям Стандартной модели.

Тема бурно обсуждалась с руководством ЦЕРН, который в то время возглавлял итальянский физик Лучано Майани. Решение требовалось принять быстро. Чтобы начать установку магнитов для LHC в соответствии с планом, надо было закрыть LEP в конце 2000 года. Любая задержка могла сильно повлиять на график постройки нового ускорителя. С другой стороны, за последние несколько недель появились признаки, вроде бы указывающие на то, что бозон Хиггса массой в 114 ГэВ у нас уже фактически в руках. Еще несколько месяцев – может быть, год, – и на LEP можно будет совершить открытие века.

Последовали напряженные дни жарких споров. В итоге Майани согласился всего лишь на несколько недель сбора данных, а позднее, увидев, что получаемые сигналы остаются крайне ненадежными, вообще остановил эту работу и принял решение закрывать старую установку. Физики LEP яростно его критиковали. Рвались многолетние дружеские связи, сыпались оскорбления, рождались глубочайшие обиды. Долгие годы те, кто поверил в сигналы, полученные на LEP, будут твердить, что бозон Хиггса уже открыт, что его масса равна 114 ГэВ и что на LHC его всего лишь переоткроют. Но в конце концов выяснится, что это была злокачественная статистическая флуктуация; такое порой случается, особенно когда ускоритель близок к дате своей окончательной остановки. Майани оказался прав: даже продолжая получать новые данные, идентифицировать объект с энергией 125 ГэВ на LEP было бы невозможно. Когда после открытия Хиггса я спросил Майани, кто из оскорбителей нашел в себе мужество извиниться или хотя бы просто признать его правоту, Лучано в ответ лишь улыбнулся.

После закрытия LEP эстафета в поисках бозона Хиггса перешла к чикагскому Тэватрону; LHC только начинал строиться. Воодушевленные открытием в 1995 году топ-кварка, ученые Фермилаба решили довести светимость ускорителя до предела и усовершенствовать детекторы, используя для этого также некоторые технологии, разработанные для LHC.

В первое десятилетие нового века окно возможностей для поимки бозона Хиггса открылось и на Тэватроне. Тем более что тогда – из сравнения масс топ-кварка и W-бозона с результатами прецизионных измерений массы Z-бозона – были получены непрямые оценки массы бозона Хиггса, которые свидетельствовали в пользу относительно низких значений, близких к значению 114 ГэВ, вызвавшего такой ажиотаж вокруг LEP. На таких энергиях у Тэватрона был шанс сорвать джекпот, обогнав LHC, и в какой‑то мере отыграться за неудачу с SSC.

Великий праздник и черная пятница

И вот все уже позади – и колоссальное напряжение, и череда взлетов и падений. Ускоритель готов к пуску. Наступает ответственный момент нашего захватывающего приключения. Ускоритель завершен, он прошел множество испытаний, доведен до рабочей температуры, готов к разгону первых пучков частиц. Детекторы также готовы; нам пришлось совершить вокруг ускорителя не одно сальто-мортале, чтобы установить и запустить последние компоненты, но в конце концов мы все успели. И CMS вовремя выходит на старт.

Трудно описать наш энтузиазм тех дней – энтузиазм поистине всепоглощающий и заразительный. Несколько лет мы провели на грани катастрофического провала, но теперь мы во всеоружии, готовы действовать и уверены, что обнаружим не только бозон Хиггса, но и суперсимметрию, и даже – а почему бы и нет? – новые состояния материи, предсказываемые теориями экстраизмерений.

Я вспоминаю то время, как период некоей эйфории. Возможно, все произошедшее потом отчасти объясняется той самоуверенностью, которая переполняла тогда нас всех. Той особой формой высокомерия, hybris, которая так хорошо описана в древнегреческой литературе и которая овладевает людьми, когда они, возгордившись, решаются на великие подвиги, – и за это на них обрушивается катастрофа.

Утро 10 сентября 2008 года. Все ожидают пуска ускорителя. ЦЕРН пригласил сотни журналистов. Впервые ускоритель элементарных частиц вводится в действие в присутствии представителей крупнейших СМИ всего мира. В безумные недели, предшествовавшие этому событию, мне, Фабиоле, Джиму Вирди и Петеру Йенни пришлось изыскать время, чтобы научиться работать со СМИ. Пара бойких журналистов Би-би-си часами растолковывала нам, как следует отвечать на самые агрессивные вопросы и уворачиваться от ловко расставленных репортерами ловушек.

Всеобщий интерес нарастал оркестровым крещендо, но связан он был с совершенно иррациональным страхом того, что запуск LHC обернется концом света. Мы были измучены непривычным для нас повышенным вниманием, нас шокировала жуткая чепуха, распространяемая газетами и разнообразными сайтами, мы тонули в потоке просьб об интервью и комментариях, отнимавших у нас бездну времени. Зато сотрудники отдела по связям с общественностью ЦЕРН сияли от счастья. Опасения, что черная дыра уничтожит мир, спровоцировали пароксизм внимания к происходящему в Женеве, а для них это – бесценная возможность поговорить с широкой публикой на научные темы, которые обычно мало ее интересуют.

В 10.28 инжектируется первый сгусток протонов; он совершает первый полный оборот и радостно влетает в тонкую керамическую пластину, оставляя на ней красивый эллиптический отпечаток. Это доказательство того, что все работает как надо. В зале центра управления аплодисменты. Руббиа и Лин Эванс празднуют первый вздох своего детища.

Возбуждение царит и в центрах управления экспериментами. Летят в потолок пробки из бутылок шампанского, в прямой эфир идут репортажи Би-би-си, Си-эн-эн, Аль-Джазиры и многих других компаний. То, насколько мировые медиа поглощены происходящим, я понял, когда общался со съемочными группами всех трех телеканалов Итальянского радио и телевидения (RAI) – Tg1, Tg2 и Tg3.

До сих пор я с горечью вспоминаю о том, что примерно годом ранее я звонил руководству Tg1, чтобы предупредить о готовящейся Би-би-си прямой трансляции спуска CMS в подземную камеру. Мне казалось важным, чтобы RAI тоже подготовили свой репортаж. Но это оказалось невозможно, поскольку (цитирую дословно): “Профессор, на этой неделе проходит фестиваль, и все наши сотрудники сейчас в Сан-Ремо, чтобы освещать это музыкальное событие”. Лишь всеобщий испуг перед черной дырой смог убедить RAI в том, что иногда стоит рассказывать не только о песнях.

10 сентября 2008 года состоялся праздник на глазах у всей планеты. Никакой черной дыры не образовалось, а самая сложная экспериментальная установка в мире работала в точности так, как и ожидалось. Ускоритель начал работу в назначенное время, и пучки частиц плавно совершали свое круговое движение – а вокруг было много улыбающихся лиц, и повсюду звучали громкие тосты.

Но эйфория длилась недолго, и мы дорого за нее заплатили. Не прошло и десяти дней, как в пятницу, 19 сентября, из‑за дурацкого дефекта в контакте случилась катастрофа, которая остановила работу более чем на год.

Было 11.18, когда сотрудники, дежурившие в пультовой, поняли: произошло что‑то серьезное. Проводились рутинные пусконаладочные работы. Перед их началом полагалось протестировать все восемь секторов, на которые было разделено 27‑километровое кольцо. На этот случай существовал очень четкий протокол, в соответствии с которым через обмотки магнита следовало пропускать ток до тех пор, пока не возникнет номинальное поле, способное удерживать на орбите протоны, разогнанные до энергий в 7 ТэВ. Этот тест никогда не удавалось провести для всех секторов. Лишь в некоторых из них поле достигало номинального значения, а во многих других оно оказывалось вдвое слабее. Накапливающиеся то тут, то там задержки стали в итоге указывать на последний сектор, 3–4, находящийся под Юрá. Но дата пуска LHC уже была назначена, поэтому окончание испытаний решили отложить на потом. И действительно, 10 сентября все прошло успешно. Однако теперь надо было довести испытания до конца, увеличивая силу тока в магнитах последнего сектора. И тут случилось такое, чего никто не ожидал.

На одном из последних этапов испытаний, когда по обмотке магнита шел ток в 8 700 А (ампер) при целевом значении в 10 000, произошло непоправимое. Я до сих пор помню дрожь в голосе Франческо, одного из многих молодых итальянских инженеров, которые провели несколько месяцев в тоннеле, подготавливая к работе один сектор за другим. В момент аварии он находился в зале центра управления. Вот его слова: “Это была невообразимая картина. Сработали десятки сигналов тревоги, а камеры в тоннеле показывали густой туман, который образуется при сильной утечке гелия”.

В официальном коммюнике ЦЕРН говорилось вначале о сбое, который должен был привести к задержке в пару месяцев. Когда через несколько недель Лин Эванс и группа инженеров спустились в тоннель, чтобы проверить, что же произошло на самом деле, их глазам предстала ужасающая картина. Несколько магнитов оказались сдвинуты со своих мест. Взрыв – а речь явно шла именно о взрыве – снес 27‑тонные объекты, как солому, смяв прочные стальные трубы так, словно они были из фольги. Стенки исключительно хрупкой вакуумной камеры, по которой за десять дней до катастрофы неслись протоны, были разорваны в нескольких местах, а ее внутренняя поверхность оказалась на сотни метров загрязнена смертоносной пылью, прилипшей к стенкам. Были потеряны четыре тонны жидкого гелия, который, испарившись за секунды, развеялся по сотням метров тоннеля. Там все замерзло и – из‑за водяных паров в воздухе – покрылось толстым слоем льда и инея. Замерзший тоннель, в котором к тому же из‑за гелия не осталось кислорода, стал на несколько недель непроходимым. Это был подлинный катаклизм.

Анализ аварии показал, что все произошло из‑за одного дефектного контакта в одном из 12 000 соединений между магнитами. Что‑то в нем было не так, и из‑за этого “не так” сопротивление оказалось больше, чем надо. При прохождении тока силой в 9 000 А крошечная точка нагрелась до температуры плавления, а в возникшей щели возникла дуговая искра, которая пробила контейнер с жидким гелием. В результате произошел взрыв с ударной волной, повредившей десятки магнитов и другие компоненты ускорителя.

Эмилио Пикассо, которому осложнения, возникавшие во время рытья тоннеля под LEP, доставили немало хлопот, был одним из немногих, кого не удивило случившееся. Как‑то во время ужина он сказал мне: “С того момента, как сектор 3–4 однажды полностью затопило, мы понимали, что получим тут еще много проблем. Воздух там насыщен влагой. Несмотря на то, что для гидроизоляции тоннеля было сделано все возможное, кабель, стоит ему полежать там пару часов, полностью окисляется, и если окись тщательно не счистить, контакт будет дефектный”.

Последствия инцидента оказались тяжелыми. Лин Эванс определил их по обыкновению сухо и эффектно: “Мы получили удар в челюсть, который напрочь нас вырубил”. Скоро выяснится, что для проведения ремонта потребуется больше года. Существовал даже риск того, что запустить ускоритель заново уже никогда не удастся. Сколько еще дефектных сварных швов скрывается среди тысяч взаимосвязанных магнитов? Эта авария выявила недостаток в контроле качества, который мог вновь дать знать о себе. Необходимо было принять меры по исправлению ситуации, то есть заново все проверить и обезопасить всю систему. Непоправимо поврежденные магниты мы могли заменить, но если бы произошла еще одна подобная авария, наших запасов бы уже не хватило и ускоритель пришлось бы остановить. Линии по производству магнитов были уже демонтированы, и на их повторный запуск потребовался бы не один год.

Остановка LHC как минимум на два года – вот к чему бы привело решение распаять каждый контакт и заново его заварить. В итоге мы пошли на определенный риск: решили заменить поврежденные магниты и принять все возможные меры предосторожности для смягчения последствий эвентуальных аварий; так мы смогли возобновить работу в 2010 году и продолжать сбор данных в течение всего 2011 года. Эксплуатация LHC на расчетной энергии становилась невозможна – риск был бы слишком велик. Мы намеревались начать с энергии в 7 ТэВ при светимости на порядок ниже, чем планировалось. А начав в 2012 году ремонт соединений, можно было надеяться через несколько лет вывести ускоритель на максимальную проектную энергию.

На сотрудников всех коллабораций авария подействовала удручающе. Особенно она сказалась на молодых. В их глазах читались гнев, разочарование, досада. Зимой 2008–2009 годов я встречался с десятками из них – чтобы выслушать, помочь решить какие‑то проблемы, попросту дать им возможность выговориться. Среди них были такие, кто годами ждал данных, чтобы дописать диссертацию и начать искать работу; у кого‑то был уже назначен день свадьбы, а жениться или выходить замуж хотелось с дипломом в кармане; были молодые люди, чьи стипендии или контракты истекали задолго до того, как LHC сможет снова вступить в строй. В каких‑то случаях мне удавалось помочь или хотя бы минимизировать ущерб, но десяткам молодых сотрудников пришлось, к сожалению, просто уволиться.

Ну, а нам явно предстояло сменить все наши научные приоритеты. “Забудьте о Хиггсе, ребята!” – так можно было бы передать суть этой смены. С ускорителем, который будет работать на энергии, вдвое меньшей проектной, и со светимостью, в сто раз меньшей, нет никакой надежды на открытие “частицы Бога”. Больше всего угнетало то, что этот сбой даст Тэватрону возможность выйти на финишную прямую раньше нас. После долгих лет неизвестности и напряженной работы мы рискуем увидеть, как цель, к которой мы так долго стремились, ускользает от нас.

Глава 5

Окончательное “да”

Волшебное касание Гвидо

Зал центра управления CMS в Чесси,

30 марта 2010 г., 8.54

У дверей лифта, ведущего в подземную камеру, пасутся коровы, совершенно равнодушные к ажитации, царящей вокруг P5, площадки CMS. Последние несколько недель тут снуют белые грузовики ЦЕРН и машины местных жителей, так что можно понять, что происходит нечто важное. Сутки разделены на три периода по восемь часов, и эксперты работают посменно.

В зале центра управления царит нервная обстановка. Все помнят, что случилось 23 ноября 2009 года. В тот день в LHC, снова введенном в работу после аварии, произошли первые столкновения с энергиями в 900 ГэВ. Но по ряду причин CMS не смог выдать те замечательные цветные фотографии, которые дают графическое представление столкновений протонов. У всех других экспериментов дела шли лучше: в частности, коллеги из ATLAS успешно получили первые снимки, которые были немедленно опубликованы во всех ведущих газетах мира и показаны по всем телеканалам. Ребята из CMS, несколько недель с надеждой готовившиеся к пуску ускорителя, не могли скрыть разочарования. Не то чтобы проблема была серьезной, но само ее наличие снова давало всем понять: ATLAS в нашем классе – отличник, а мы всегда на втором месте. Именно это делало ситуацию невыносимой для каждого из нас. Так что сейчас, когда эксперимент возобновился, все должно идти как по маслу. Это мы должны быть первыми, мы должны сообщать миру о столкновениях с высокими энергиями и демонстрировать их изображения, снабженные нашим приметным лого.

Ускоритель, после многочисленных перебоев первого года, заработал наконец нормально, и все теперь шло по плану. Но момент истины пока не наступил. На сегодняшнее утро были предусмотрены первые столкновения с энергиями 7 ТэВ – это рабочая энергия LHC на 2010 год. Все проверено и перепроверено бесконечное число раз. Мы провели компьютерные симуляции процессов, проверили каждый из них и даже подготовились к каким‑нибудь сюрпризам. В зале центра управления собрались лучшие эксперты и программисты; все они очень молоды – меня окружает множество серьезных парней и девушек, которым даются последние наставления.

И тут случается непредвиденное: ускоритель встает. Пуск – но пучок теряется; вторая попытка – то же самое. Но мы же видели, что, когда прошлой ночью сотрудники LHC проводили свои тесты, никаких проблем не возникало! Они проводили столкновения, чтобы убедиться, что все под контролем, и все у них прошло гладко. Не было накладок и в других случаях. Мы согласились помалкивать об этих ночных тестах, поскольку официально их следовало проводить с утра. Журналистов предупредили о начале испытаний в 9 часов: ЦЕРН хотел, чтобы запуск прошел на глазах у представителей СМИ и последняя тень сомнений, оставшаяся после инцидента 2008 года, полностью рассеялась. Но сейчас у LHC, казалось, не было ни малейшего намерения повиноваться командам оператора. Уже полдень, прошло целых три часа, однако так ничего и не произошло. Нервозность в зале центра управления выросла до самых звезд. Некоторые журналисты уже набрасывали заметки, начинавшиеся примерно так: “Сегодня ожидался великий день для LHC, но ускоритель, переживший страшное потрясение в 2008 году, не захотел выходить на мощность в 7 ТэВ”. Я вижу ужас в глазах окружающих меня ребят. И тогда, дабы разрядить обстановку, я делаю нечто странное. Пока готовится очередной запуск ускорителя, я подхожу к монитору, отображающему состояние пучков, и возлагаю на него руки, восклицая по‑итальянски: “Ну хватит! Пускай этот гр***ный ускоритель наконец заработает!” Понимавшие итальянский немедленно дружно расхохотались, а все остальные последовали их примеру чуть позже, когда им перевели, что именно сказал спикер эксперимента, а главное – разобрались в том, что за пассы он проделывал над монитором. Кто‑то из журналистов снял меня в этой позе, и его фото разошлось потом с подписью “Волшебное касание Гвидо”. К изумлению присутствующих, мое “касание” помогло и попытка оказалась успешной: первые столкновения с энергией 7 ТэВ шли у нас перед глазами, и мы были первыми, кто объявил о них миру посредством наших чудесных фотографий.

В центре управления раздались радостные возгласы и восторженные вопли. Вокруг меня собирается толпа, и фотограф ЦЕРН делает снимок: восхищенные молодые люди с воздетыми к потолку руками и с сияющими глазами окружают куда более взрослого синьора в костюме и при галстуке. Этой фотографии тоже будет суждено обойти весь мир и навсегда сохраниться в моей памяти как одной из самых прекрасных.

Жизнь спикера

Спустя два месяца после инцидента 2008 года ЦЕРН получил новое руководство. Традиция требовала, чтобы в назначениях была ротация: после англичанина назначается итальянец, потом француз… теперь же очередь дошла до немца. Выбор Совета ЦЕРН, представляющего 20 стран – членов организации, пал на Рольфа Хойера. Да, именно на него, нашего референта на первых порах работы CMS. Своим замом по науке Рольф выбрал Серджо Бертолуччи, итальянского физика, почти три года руководившего лабораторией Фраскатти Национального института ядерных исследований; во времена старшей школы и университета мы с ним дружили. Потом наши пути разошлись, но мы сохранили те теплые отношения, которые позволяют нам обходиться без слов, чтобы понимать друг друга. Так бывает со старыми морскими волками: встретятся случайно после долгой разлуки и начинают разговор с того самого места, где его когда‑то пришлось прервать.

До этого назначения Рольфу и Серджо пришлось разбираться с инцидентом на LHC, заниматься устранением повреждений ускорителя и искать пути его восстановления, заботясь прежде всего о минимизации рисков. Лин Эванс тоже уходил со своего поста, и надо было искать кого‑то, способного вернуть LHC в строй. Выбор пал на Стива Майрса.

Стив – ирландец, и его детство прошло в Белфасте, в самые тяжелые годы гражданской войны. Его уже ничем не испугать. Навсегда останется в анналах его эпичная стычка с Карло Руббиа, тогда уже нобелевским лауреатом и директором ЦЕРН. В пылу полемики Карло кричал, что уволит Стива, и надвигался на него – хрупкого и невысокого – всем своим грузным телом. Но Стив, нимало не испугавшись, вскочил на ноги и просто посмотрел в глаза неистовому Карло. Взгляд его не предвещал ничего хорошего, и Карло непостижимым образом немедленно успокоился. Никто из нас не был бы на такое способен. Чтобы начать все сначала, когда все, казалось, было потеряно, нам был нужен именно он. Чтобы отремонтировать ускоритель и запустить его вновь, чтобы вернулась отвага к тем, кто смотрел уныло и испуганно, требовалась его бескомпромиссная решимость. И Стиву все это удалось.

Понадобились месяцы безумного напряжения и неустанной работы сотен техников и инженеров, чтобы побороть в памяти LHC кошмар черной пятницы. Мы заменили 53 диполя, установили сотни новых предохранителей, выполнили тысячи контрольных измерений на соединениях между магнитами. Общая стоимость работ превысила 25 млн франков, но – все получилось. 21 ноября 2009 года LHC был уже в рабочем состоянии и по его тоннелю понеслись пучки частиц. Никаких проблем не возникло. Спустя два дня успешно прошли столкновения с энергиями 900 ГэВ, а еще через две недели энергия столкновения протонов в системе центра масс достигла уже 2,35 ТэВ. LHC стал самым мощным ускорителем в мире.

Потрясение 2008 года нам было непросто пережить как в ATLAS, так и в CMS. То были тяжелые месяцы, когда нами овладело разочарование, а вера в себя, казалось, была утрачена. Но потом вдруг проснулась гордость – ясная, рациональная и не лишенная некоего юношеского безумия. Она внезапно стала читаться в глазах трудившихся без устали людей: “Нас не остановишь! Мы столько преодолели, чтобы создать все эти чудеса техники, и мы снова победим”. Дело вновь завертелось.

Во главе двух наших экспериментов теперь встали я и Фабиола. Нас избрали в 2009 году в соответствии с довольно необычной процедурой, характерной для наших организаций. Спикер занимает свою позицию определенное количество лет. В CMS это ровно два года. В ATLAS же есть возможность переизбраться и оставаться на посту четыре года (это максимум). В голосовании принимают участие представители всех лабораторий и университетов, задействованных в эксперименте, – это около 150 организаций, – а голосованию предшествует дискуссия, в которую вовлекаются тысячи членов коллаборации. Во время действия своего мандата спикер полностью отвечает за все решения, касающиеся представительства эксперимента в международном научном сообществе. Его главная задача – обеспечить достижение наилучших возможных результатов. А для этого он должен организовать работу так, чтобы все было в полном порядке: функционирование детектора и сбор данных, компьютерная реконструкция траекторий, бесперебойная работа всех вычислительных мощностей, физический анализ и публикационная активность. У него серьезная исполнительная власть, потому что он расставляет приоритеты, выбирает, на чем надо концентрировать ресурсы, и назначает людей, которые будут выполнять те или иные действия. Но его нельзя сравнить с СЕО частной компании или с политическим лидером, поскольку он не обладает прямой властью над исследователями, работу которых координирует. Коллаборация состоит из свободных мужчин и свободных женщин – ни их карьера, ни их заработки никак от него не зависят.

ATLAS и CMS – гигантские коллаборации: в каждой из них по 3 000 сотрудников из 40 стран со всех континентов. Как можно управляться с таким количеством работников без плетки и морковки, без возможности увеличивать им жалование или налагать санкции? Наша организация приводит в ужас любого профессионала по принятию решений: мы похожи на реализовавшуюся утопию, на управляемую анархию.

Всякий, пускающийся в авантюру за гранью возможного, делает это потому, что ему не дает покоя его мятежный дух. Фундаментальную физику выбирают вовсе не те, кто любит отдавать или получать приказы. Того, кто ее выбирает, толкает на это горячая страсть. Он принимает вызов и готов тратить свои выходные и просиживать ночи напролет, чтобы понять, существует ли бозон Хиггса в реальности и есть ли у нашего мира скрытые измерения. Руководить сообществом людей, настолько мотивированных и настолько тщательно отобранных, совсем несложно. Власть спикера подобна власти дирижера огромного оркестра. В нашем деле подавляющее большинство оркестрантов отлично знает все партитуры, а многие к тому же еще и умеют дирижировать. Музыканты выбирают кого‑то одного из своих рядов, и он на пару лет встает за дирижерский пульт. Все в оркестре знают его стиль и его подход к интерпретации музыки, поэтому соглашаются играть по его указке. При этом предполагается, что при каждом исполнении он будет демонстрировать компетентность и обязательность и тем заслужит их уважение. Такими сложными организациями, как CMS, не руководят, опираясь исключительно на авторитет. Научная деятельность нуждается в обороте идей и в их безжалостной критике; она направляется свободными людьми, привыкшими отстаивать оригинальные точки зрения и плыть против течения.

Жизнь спикера далека от монотонности. Добрых пятьдесят процентов времени занимают рутинные совещания, составление финансовых и административных отчетов, переписка с научно-исследовательскими учреждениями и тому подобное. Но всегда есть и немалая толика исключительно интересной работы: обсуждение стратегии, физических результатов, которые должны быть подтверждены либо опровергнуты, новых инструментов анализа или перспектив развития. Вдобавок возникают бесчисленные кризисные и чрезвычайные ситуации.

С одной стороны, детекторы – чудеса техники, но с другой – это чрезвычайно сложные устройства. Достаточно одной какой‑нибудь мелочи, чтобы случилась катастрофа с непоправимыми последствиями. К примеру, тебя будят в два часа ночи, потому что в P5 из магнита потекла вода. Если такое случается, то спикер и технический координатор обязаны быть на месте первыми. Мы надеваем каски и спускаемся под землю, чтобы увидеть все воочию. И выясняется, что где‑то начал подтекать дурацкий клапан – один из восьмисот, установленных на охлаждающих трубах какой‑то из большого числа систем! И пока мы по запутанным ходам внутри детектора пытаемся добраться до клапана, которым можно перекрыть всю цепь, нас обуревает страх. Откуда нам знать, что вода не нанесла непоправимого ущерба мюонной камере? И что будет с теми кабелями и той электроникой, которые оказались затопленными? А позднее мы не только сражаемся с повреждениями, но еще и выясняем, что именно вызвало протечку. Проводятся всевозможные тесты, и в итоге выясняется, что какая‑то часть переходников со временем подверглась коррозии и перестала работать. И тогда принимается решение, что риск слишком велик и что все переходники надо заменить. Составляется план работ, ищутся новые, более надежные переходники, иначе расставляются приоритеты – поскольку замена переходников обойдется в 800 тысяч франков, а они предназначались для решения совсем других задач.

Следующая чрезвычайная ситуация возникает, когда техник сообщает нам, что, выполняя неосторожный маневр мостового крана, он мог повредить вакуумную трубу. Это произошло, когда он немного изменял угол размещения калориметра, который, хоть и весит много тонн, выглядит просто игрушкой в сравнении с самим соленоидом. И этим монстром он лишь коснулся деликатнейшей части ускорителя под названием beam pipe – хрупкой трубы из алюминия и бериллия, внутри которой поддерживается глубокий вакуум и по которой в LHC несутся протоны. Самое незначительное ее повреждение может стать причиной взрыва, и это была бы худшая из всех возможных катастрофа и для нас, и для ускорителя. Она предвещала бы бесславный финал CMS и многомесячную остановку всего LHC. К счастью, после нескольких недель проверок мы смогли вздохнуть с облегчением. Кстати, тогда в очередной раз подтвердилась эффективность одной нашей необычной процедуры, введенной в процессе строительства ускорителя. Всякого, кто совершит тот или иной проступок, не только не наказывают, но еще и премируют, если он сообщит об этом незамедлительно. Это может показаться странным, но на самом деле логика тут есть. Ошибки совершают все и всегда. Если страх быть за них наказанным заставляет молчать, то возникает опасность получить “бомбу замедленного действия”, заложенную в недра столь сложного сооружения. Нет уж, лучше сразу признаться и начать искать решение проблемы, понимая при этом, кто именно несет ответственность за допущенную ошибку.

Саркози, “Тур де Франс” и “дурацкая затея”

В марте 2010 года в LHC начались протонные столкновения с энергией 7 ТэВ. Эта новость была встречена всеми с большим энтузиазмом. Мы так долго ждали данных, что уже даже забыли то головокружение, которое испытываешь, когда первым наблюдаешь новый и полный неожиданностей мир. Старожилы, видевшие все фазы строительства ускорителя и всецело поглощенные проектом, в последний раз анализировали полученные экспериментальные данные годы назад. Для молодых же это совершенно невиданный опыт: они налетают на новые данные с жадностью косяка амазонских пираний и принимаются переваривать, анализировать, а то и выворачивать их наизнанку, словно носки. Любопытно наблюдать за тем, как эти ребята представляют полученные результаты: за несколько недель они открывают заново все элементарные частицы Стандартной модели.

Подобная активность принципиально важна для построения Новой физики. Никто не поверит, что мы открыли Сьюзи или поймали бозон Хиггса, если до того мы не сумели переоткрыть все известные элементарные частицы. Тут важны скорость и качество – они помогают добиться серьезного преимущества. Весьма существенную роль играет то, что наши новые детекторы были тщательно откалиброваны. Возвращаясь к аналогии с оркестром: для начала надо исполнять общеизвестные музыкальные произведения – чтобы продемонстрировать хорошую настройку инструментов. Только после проведения этой исключительно тонкой, требующей терпения операции мы будем готовы перейти к совершенно новой партитуре.

Стоит напомнить, что все процессы в Стандартной модели могут быть уподоблены поиску в таежных дебрях неведомых науке зверей. Каждая новая частица, если ей суждено будет когда‑нибудь появиться в наших данных, даст о себе знать сигналами, спрятанными среди других, очень похожих, сигналов уже известных процессов. Их надо очень точно измерить и количественно описать; только тогда у нас появится уверенность, что мы смогли выделить какую‑то аномалию, статистически значимое число надежно зарегистрированных событий. Как никогда актуальным представляется мне сегодня наставление, данное в древности одним персидским поэтом своему юному ученику: “Если хочешь стать поэтом, сперва выучи наизусть все то, что было написано до тебя… а потом – все забудь”.

Самым важным событием в научной жизни того года была конференция по физике высоких энергий в Париже, в которой принимали участие сотни физиков со всего мира, с нетерпением ожидавших наши первые результаты. Представлять их поручили мне и Фабиоле.

26 июля 2010 года Париж сверкал разноцветными огнями. Накануне завершился “Тур де Франс”, и я нашел время, чтобы, оторвавшись от компьютера, сбегать на набережную Сены и посмотреть на Контадора с компанией, несущегося в сторону Елисейских полей.

На открытии конференции моим глазам предстало впечатляющее зрелище. Мне не привыкать говорить перед сотнями слушателей, но вид большого зала Дворца конгрессов у Порт-Майо на 1 750 мест все же заставил меня разволноваться.

Первым к участникам конференции обратился Никола Саркози, президент Французской Республики. Я не вслушиваюсь в его выступление, а по обыкновению слежу за языком тела. И, к своему изумлению, понимаю, что он крайне не уверен в себе и пытается скрыть эту неуверенность с помощью надменной осанки и подчеркнуто высокомерных манер. Мне Саркози не симпатичен, но вещи он говорит важные, такие, что мне всегда приятно слышать от людей, облеченных властью. Рассуждает о роли научных исследований в Европе, подчеркивает, что снижать инвестиции в науку во время кризисов – это безумие и что Европа должна сохранить и даже упрочить свое лидерство в сфере физики высоких энергий.

Когда выступаем мы с Фабиолой, в зале царит тишина. Представленные нами результаты производят впечатление: LHC только начал работать, прошло всего несколько месяцев, а оба эксперимента уже демонстрируют, что располагают всеми необходимыми ингредиентами. Мы показываем графики и измерения относительно W– и Z-бозонов, представляем первых кандидатов в топ-кварки и первые полученные нами результаты относительно новых явлений в области энергий 7 ТэВ. Никто не сомневается, что ATLAS и CMS готовы идти дальше.

Вскоре, ответив на многочисленные вопросы, я удовлетворенно спускаюсь со сцены. Дело сделано. У меня такое чувство, словно мы с Фабиолой успешно сдали важный экзамен. Однако наша радость длилась недолго.

Разговаривая с коллегами по Тэватрону, мы вдруг понимаем, что ликовать нам рано. Весь прошлый год американский ускоритель работал идеально, его эффективность и светимость систематически возрастали. Экспериментаторы продолжают упорные поиски бозона Хиггса. У них получилось проанализировать другие многообещающие каналы распада, и они систематически сопоставляют свои результаты. Одним словом, они здорово вырвались вперед, и, если мы чего‑нибудь не предпримем, они нас обгонят.

Едва дождавшись кофе-брейка, я, Рольф, Стив и Фабиола собрались в уголке, подальше от столов с закусками, вокруг которых толпились участники конференции. Мы получили абсолютно ясный сигнал. Нам нужно срочно менять стратегию. Риск, что после всех приложенных усилий люди с Тэватрона уволокут открытие прямо у нас из‑под носа, слишком велик. Нам было достаточно взглянуть друг на друга, чтобы понять, что мы можем сделать, – и в этом решении мы были единодушны. Прежде всего надо продлить период сбора данных. То есть отложить ремонтные работы до 2013 года и собирать данные весь 2012‑й. Мы попробуем увеличить светимость и, может быть, также энергию и запишем на диск еще 5 fb-1, то есть обратных фемтобарн (они используются как специальная единица измерения, указывающая полное количество собранных данных), и на этом наша история завершится. Дело даже не в Тэватроне. Если бозон Хиггса существует, мы находим его, где бы он ни прятался; в случае же неудачи вообще отказываемся от поисков. Мы четверо расходимся с мыслью немедленно проверить, действительно ли задуманное нами выполнимо. Мы отводим себе несколько месяцев на то, чтобы проанализировать все детали: Стив сконцентрирует свое внимание на ускорителе, мы с Фабиолой проведем компьютерные симуляции экспериментов, а Рольф прозондирует настроения в Совете. До тех пор, пока мы не проверим все возможности, мы будем молчать о наших планах.

Итак, за какие‑то десять минут вся история LHC, а может быть, и всей физики высоких энергий навсегда изменилась.

Как поменять стратегию

Лето 2010 года я провел в спорах с наиболее агрессивными и наиболее преданными делу коллегами. Первым, с кем я поговорил, был Вивек Шарма. Вивек родился в глухом уголке индийского штата Бихар и, как и большинство блестящих студентов-иностранцев, получив докторскую степень, остался в США. Он был тогда молодым профессором Калифорнийского университета в Сан-Диего и несколько месяцев, по моему поручению, возглавлял группу по хиггсовскому анализу. Это была одна из самых маленьких групп – в нее входило всего двадцать семь физиков, в то время как группы по поиску суперсимметрии или идентификации топ-кварка состояли из сотен человек. Такая количественная разница отражала всеобщую уверенность, что сбор данных на 7 ТэВ не даст сколько‑нибудь значимых для поиска бозона Хиггса результатов и что следует сконцентрироваться на других направлениях, представлявшихся более перспективными.

Мы с Вивеком подружились еще во времена LEP: познакомились, когда он, учась в Висконсине, работал вместе со мной над юстировкой миниатюрной трековой камеры, собранной нами в Пизе. Мне хватило всего нескольких слов: Вивек сразу уловил суть происходящего. Нельзя терять времени, результаты нужны уже этой осенью. Надо было срочно организовывать серию численных экспериментов, чтобы понять, справедлива ли наша интуитивная оценка в 5 обратных фемтобарн, которая показалась нам наиболее разумной. Следовало выстроить совершенно новую стратегию. До сих пор наш анализ базировался на предположении, что в нашем распоряжении есть сотня обратных фемтобарн при энергии в 14 ТэВ. При таких условиях с открытием бозона Хиггса справится и ребенок. Все наши прежние исследования показывали, что в каждой конкретной области масс достаточно сконцентрировать усилия на одном-единственном канале распада, – и мы сможем открыть бозон Хиггса, где бы он ни прятался.

С LHC мы чувствовали себя, как в пятизвездочном отеле: заказывай все что хочешь, и тебе принесут это прямо в номер. Однако инцидент 2008 года разрушил наши мечты о величии. Нам, так сказать, пришлось укрываться в горном лагере, где нужно жаться друг к другу, когда хочешь согреться, а если не найдешь чего‑нибудь съедобного и дров для печки, то будешь стучать зубами от холода и страдать от голода.

Когда у тебя 7 ТэВ и 5 fb-1, все намного сложнее. Ни один канал распада бозона Хиггса не даст сам по себе достаточно надежных сигналов. Не остается другого пути, кроме как сочетать сигналы как можно бóльшего числа каналов распада. Но это требует привлечения к работе сотни сотрудников. Да и этого окажется недостаточно в самом нижнем диапазоне масс, от 115 до 150 ГэВ, который мы считаем наиболее вероятным, исходя из всего того, что нам известно благодаря точным количественным проверкам Стандартной модели. Тут, чтобы была хоть какая‑то надежда, придется приложить исключительные усилия. Придется начинать все сначала, совершенствуя и уточняя свой анализ; придется изобретать новые методы отбора интересующих нас сигналов и сдавать в утиль все проведенные к настоящему моменту исследования – чтобы проделать все заново, прибегнув к более подробному анализу и более точной калибровке.

Летом, пока проводились численные эксперименты, которые должны были использоваться для официальной смены стратегии, началось бурное обсуждение того, как интенсифицировать работы. Нам предстояло убедить сотни исследователей еще раз поменять свои планы и пуститься в предприятие, которое вполне могло оказаться безнадежным. Чтобы рассчитывать на успех, надо было собрать лучшие силы коллаборации, привлечь самые сильные университеты и самых блестящих молодых ученых.

На протяжении нескольких недель я встречался с десятками групп, по одной за раз. До сих пор помню, как трудно было убеждать моих коллег-профессоров, руководивших исследовательскими коллективами. Они решительно не хотели менять темы уже наполовину написанных диссертаций и отказываться от проектов, на подготовку которых люди потратили годы жизни. Но чем больше я говорил, что предприятие сложное, чем больше подчеркивал необходимость изобрести новые методы анализа, тем чаще видел огонек интереса, зажигавшийся в глазах самых молодых участников встреч. И в итоге нам удалось мобилизовать лучшие молодые умы нашей многотысячной коллаборации.

На протяжении нескольких следующих месяцев десятки групп и сотни блестящих ученых упорно объединяли свои усилия. И в 2011‑м, спустя год после неформальной встречи в Париже, выяснится, что в группе, занимающейся бозоном Хиггса в CMS, уже больше пятисот человек. Сотни юношей и девушек примутся изучать инновационные методы, чтобы пуститься в погоню за ускользающим бозоном. И если сегодня весь мир празднует достижение крупного научного успеха, то заслуга в этом прежде всего их – ребят, ответивших на брошенный им вызов с пылким энтузиазмом, на какой способны только очень молодые люди, готовые взять на себя ответственность и благодарные за оказанное им доверие.

Жестокие схватки с ATLAS

Когда начались эксперименты при энергиях в 7 ТэВ, CMS стал выдавать результаты значительно быстрее, чем ATLAS. И мы это предвидели: наше оборудование было значительно проще калибровать и юстировать; более того: сильное магнитное поле и комбинация трековых детекторов с мюонными обеспечивали превосходную производительность. За несколько месяцев CMS опубликовал целый ряд впечатляющих статей. Когда прослеживаются процессы рождения и распада более массивных объектов, вроде топ-кварка, и представляются описания очень редких событий, вроде рождения пар W-бозонов, все понимают, что исследователи готовы к большой охоте. ATLAS тоже выдавал отличные результаты, но все видели, сколько труда это ему стоило. Он всегда отставал – на недели или на месяцы, а его статьи уступали в полноте и методической новизне статьям CMS. Состязание становилось все более жестким.

Выбор двух независимых экспериментов в LHC – стратегический ход ЦЕРН. Повторяется сценарий, который применялся еще во времена UA1 и UA2. Та же формула была принята и на Тэватроне, где состязаются / сотрудничают два эксперимента – CDF и D0. Поиски бозона Хиггса или следов Новой физики – исключительно сложная операция. Надо регистрировать очень слабые и редкие сигналы, которые часто прячутся среди сигналов, весьма похожих на те, что мы хотим изучать. Современные эксперименты используют сложнейшие технологии, полные разнообразных тонкостей и чреватые возможными неисправностями. Софт, используемый для идентификации интересных событий в целях их реконструкции и изучения, содержит миллионы строк компьютерного кода. В этих условиях любой может совершить промах или недооценить определенный источник систематических ошибок. Страх – самый верный спутник в нашем путешествии. Упустив какую‑то деталь, ты убеждаешь себя в том, что сделал великое открытие, а потом обнаруживаешь, что все провалено из‑за банальнейшей ошибки, – вот кошмар, преследующий нас по ночам. В таком случае доверие к нам было бы подорвано основательно и надолго, а оно – самая большая наша ценность, и рисковать ею мы не можем.

Вот почему в таких больших коллаборациях, как CMS, постоянно задействованы механизмы контроля и верификации, которые должны защищать нас хотя бы от наиболее грубых ошибок. Но мы понимаем, что не всегда все работает наилучшим образом. И потому иметь два эксперимента – это своего рода страховка и для нас самих, и для результатов, которые мы бы хотели получить. Две независимые группы исследователей, использующие разные технологии и несовместимый софт, ловят одни и те же сигналы. Если первая группа делает открытие, у второй появляется шанс его верифицировать. Только когда обе группы получают схожие результаты, появляются резонные основания поверить в их справедливость.

Такой механизм подразумевает яростную конкуренцию. Все знают, что коллеги из другого эксперимента в любой момент могут объявить об открытии чего‑то важного. Это создает непрерывное напряжение внутри коллабораций, состоящих из ученых, которые всю свою жизнь мечтают когда‑нибудь выявить новое состояние материи. Дух соревнования заставляет в поисках небывалых идей заглянуть под каждый камень и пройти по каждой тропинке – в надежде первыми достичь финиша.

Но это соревнование, каким бы яростным оно ни было, проходит в особых формах, не понятных, например, тем, кто занят разработкой нового микропроцессора или поисками химической формулы нового медицинского препарата – одним словом, чего‑то, имеющего значительный коммерческий эффект. В таких областях между конкурирующими коллективами царит строжайшая конфиденциальность: зачастую идеями не обмениваются даже исследовательские группы одной и той же компании.

У нас не так. Все технологии, используемые обоими экспериментами, хорошо известны и полностью опубликованы. То же справедливо и в отношении софта. Секретов нет, не скрывается даже информация, которая могла бы повредить другой коллаборации. Если в одном эксперименте случается авария и он не может собирать данные на протяжении недель, второй эксперимент тоже должен остановиться и ждать, пока не перезапустится первый. Даже в условиях конкуренции, остающейся весьма напряженной, эксперименты непрерывно в чем‑то помогают друг другу. Каждая из двух групп хочет быть первой, но добиваться этого нечестными путями для всех нас неприемлемо.

Вот почему у меня с Фабиолой, несмотря на то, что мы то и дело обмениваемся жестокими ударами научного соперничества, сохраняются отношения искренней дружбы. Мы часто организуем совместные вечера, на которых бывает и моя жена Лучана, и наши общие друзья. И тогда мы обсуждаем все на свете. Фабиола интересуется делами моей дочери Джулии, балерины Оперного театра Цюриха, завсегдатаем которого она была в юности; я же рекомендую ей хотя бы изредка отдыхать, поскольку мне кажется, что вид у нее утомленный, а это наверняка связано с недостатком сна. Излишне говорить, что темы, связанные с бозоном Хиггса, в наших частных беседах под запретом. Оба эксперимента публично продемонстрировали, что они собираются делать: какие каналы распады будут анализироваться и какая техника для этого будет использоваться. Состязание началось, так пусть победит сильнейший.

И все же при нашем обмене ударами первое очко заработал CMS. Сразу после парижской конференции 2010 года мне сообщили, что одна из наших аналитических групп получила нечто неожиданное. Мы встретились первого августа, и находка действительно оказалась интересной. Она не имела никакого отношения ни к бозону Хиггса, ни к Новой физике, и все же полученный эффект заинтриговывал. В наших столкновениях протонов наблюдалось слабозаметное явление, которое до этого наблюдалось только в столкновениях тяжелых ионов. Каждый год его изучению посвящался месяц сбора данных, чаще всего – перед рождественскими каникулами.

Когда с высокими энергиями сталкиваются ионы свинца, ядерная материя словно бы расплавляется, образуя своего рода идеальную жидкость из кварков и глюонов. Ее свойства изучены во всех подробностях; считается, что в этом состоянии в первые моменты после Большого взрыва пребывала вся материя нашей Вселенной. Фотографии столкновений очень выразительны: треки заряженных частиц и выбросы энергии создают весьма характерную картину. ATLAS и CMS воспользовались этими данными, чтобы произвести интересные измерения, но в таких экспериментах ведущая роль была у эксперимента ALICE[32], так как в их распоряжении находилось устройство, предназначенное для такого рода исследований.

Феномен, наблюдавшийся на CMS, был очень интересен, так как никто не ожидал, что нечто подобное может происходить в столкновениях протонов. Мы зарегистрировали странное распределение сотен частиц, образовывавшихся в результате столкновений; все, казалось, указывало на то, что эффект рождается из крошечной капельки этой самой магической кварк-глюонной жидкости. Это был удобный случай, чтобы протестировать наши внутренние системы контроля.

Когда после недель жарких споров результат подтвердился, нам оставалось только вынести его на суд научного сообщества (внешнего по отношению к CMS), представив наши данные на семинаре ЦЕРН и опубликовав статью на эту тему. Ни у ATLAS, ни у ALICE не было в активе подобных результатов, так что пальма первенства досталась CMS.

22 сентября 2010 года весь мир облетает весть, что на LHC обнаружено новое явление. Результат CMS привлекает всеобщее внимание, и все вдруг сходятся во мнении, что у гадкого утенка теперь чудесные перья. Кое-кому в ATLAS это совсем не по вкусу, и в эксперименте раздается ропот. На Фабиолу начинаются нападки: мол, она слишком застенчива, слишком добра и совсем распустила этих безумцев из CMS.

Однако реакция ATLAS не заставила себя долго ждать – нам наносят удар в самый неожиданный момент. Через несколько дней после того, как завершился сбор данных от столкновений протонов и начался сбор данных от столкновений ионов свинца, ATLAS представил поразительный результат: они зарегистрировали события настолько разбалансированные, что, казалось, в них нарушается принцип сохранения энергии. События, в которых, по всей видимости, энергия, вытекающая в виде струи частиц в одном направлении, не компенсировалась эквивалентным выходом энергии в другом. Чего‑то подобного и следовало, в общем‑то, ожидать, но на LHC феномен проявился с не знавшей прецедентов ясностью, и им удалось стать первыми, кто сообщил о нем. Кварк-глюонная плазма может участвовать в настолько активных взаимодействиях, что образование одной из струй оказывается заблокированным и происходят события с несбалансированным выходом энергии. Мы тоже наблюдали это явление, но в тот раз они нас опередили. Не прошло и двух месяцев, как Фабиола смогла вернуть себе контроль над ситуацией. В конце концов оба эксперимента представили новые результаты, но по итогу все увидели, что они идут впереди, а мы следуем за ними.

После этого обмена ударами мы решили, что пора выработать совместную процедуру открытия, которая и была закреплена в кратком меморандуме, подписанном обеими сторонами. Если в одном из экспериментов открывают новое явление, то, согласно договоренности, сначала о нем оповещается директор ЦЕРН, а затем предварительные результаты передаются другому эксперименту. С этого момента у последнего есть две недели, чтобы получить собственные результаты и опубликовать их одновременно с “соперником”. В противном случае первый эксперимент уходит вперед в одиночку.

И тут пошла по‑настоящему жесткая игра.

Дай пять!

Встреча в Шамони в начале февраля – старая традиция ЦЕРН, восходящая еще ко временам LEP. Это ежегодное собрание, во время которого эксперты по ускорителю и спикеры экспериментов проводят пятидневные консультации, чтобы определить все детали программы сбора данных на текущий год. Сейчас это 2011‑й. Пока мы жарко спорим в гостинице, туристы штурмуют подъемники, чтобы совершить спуск по северному склону Монблана или по южному склону Бревана. Шамони – столица горных лыж, и все здешние трассы и живописны, и сложны. Я люблю горные лыжи, и для меня мука сидеть в отеле и обсуждать эмиттанс и коллимацию пучков, когда за его стенами сияет солнце и счастливчики бегут к выбранным трассам с лыжами наперевес. Но ставка в игре слишком высока: я не могу пропустить в дискуссиях ни слова.

В зале гостиницы – примерно сотня человек. Всю неделю обсуждается вопрос, до каких значений можно повышать энергию и интенсивность столкновений. В 2010 году ускоритель хорошо себя показал при энергиях в 7 ТэВ, и знающие люди вроде Лина Эванса утверждали, что энергию можно без особых проблем довести до 9 или 10 ТэВ. Для нас, стремящихся изловить бозон Хиггса, бóльшие энергии означают и бóльшую вероятность успеха. Но Стив осторожничает, и ничто его не убеждает. В закутках новых сложных технологий таится пока много неизведанного, много рисков. Кто знает, сколько еще дефектных контактов может скрываться среди 12 тысяч прошедших предварительные тесты? Если при проведении тестов были допущены какие‑то ошибки, то нет никаких гарантий, что не произойдет нечто наподобие инцидента 2008 года. А в этом случае – пускай даже последствия окажутся менее тяжелыми – нам не уберечься от волны критики. Есть риск, что LHC будет закрыт, а нас всех отправят по домам. Последнее слово Стива подвело итог нашим спорам: мы останемся на 7 ТэВ.

Мы с Фабиолой настаивали тогда на увеличении светимости. И под конец было решено, что LHC станет собирать данные, имея в виду 5 fb-1 к 2012 году, но официальное значение на 2011 год остается только 1 fb-1. Стив всегда был слишком осторожен. Он прекрасно знал, что можно пойти значительно дальше, но не согласился бы на это и под пыткой. Разница была колоссальной, и ему это было хорошо известно. Все наши исследования показывали, что красная линия, за которой открывается реальный шанс поймать призрачный бозон Хиггса, проходит где‑то рядом с этим магическим числом. Чем быстрее нам удастся собрать эту статистику, тем лучше, но от рисков Стив уклонялся.

И потому в шутку, под конец нашей встречи в Шамони, мы нахально кричали ему в знак приветствия: “Все отлично, Стив, только дай мне пять!” Я и Стив продолжали эту игру весь год, изо дня в день, когда встречались в зале центра управления, чтобы обсудить наши планы. Это стало веселым ритуалом, который сопровождался взглядами глаза в глаза. И мы оба знали, что означает мой взгляд: “Ты дай мне 5 fb-1, а я принесу тебе бозон Хиггса”.

Ложные тревоги или эпохальные открытия?

Едва я открыл компьютер и прочитал пришедший ночью мейл, как тут же понял: меня ждет черный день. Было 22 апреля 2011 года, до Пасхи оставалось всего ничего, и мы с женой собирались отправиться на Лазурный берег. Рождественские каникулы мы провели словно в окопах, я не мог никуда выбраться даже на денек. А потом начались месяцы напряженной работы по подготовке к очередному периоду сбора данных. Я давно пообещал Лучане, что на Пасху у нас будет три дня отпуска, и даже забронировал романтический отель в Сен-Тропе: туда можно добраться всего за несколько часов… и прогноз погоды был хорошим. Но теперь я понимал, что все наши планы пошли прахом.

Ночью в научных блогах разразилась буря. Заголовок говорил сам за себя: “Появились сообщения об открытии на ATLAS бозона Хиггса”. В статьях цитировался внутренний документ, в котором якобы сообщалось о сильных сигналах распада на два фотона частицы массой 115 ГэВ. Та же самая реакция, которая в последние месяцы существования LEP породила столько надежд и столько конфликтов. Мой электронный ящик ломился от сообщений, и уже объявились первые журналисты, добивавшиеся интервью и комментариев.

Звоня в отель и отменяя бронь, я старался не думать о грустных глазах Лучаны.

А затем я начал раскручивать маховик ответных действий, которые сделали адскими наши следующие недели.

Первым делом я позвонил Фабиоле и попросил объяснить, что происходит. Но она была удивлена и озадачена не меньше моего. Речь шла не об официальном результате коллаборации. Это была работа одной из групп внутри ATLAS, действующих изолированно от других; группа создала внутренний документ, которому был дан ход до его верификации и одобрения. Кому‑то в ATLAS хотелось нанести нам удар. И это был худший из возможных сценариев.

Инициатива исходила от группы из Висконсина (США), руководимой У Сюлань, нашей старой знакомой. Сюлань – прекрасный эксперт, живой и энергичный; ее окружают исключительно одаренные молодые ученые – одним из ее студентов был Вивек; ее работоспособность практически безгранична. Родившись в Гонконге, в очень бедной семье, она уже в юности проявила выдающиеся способности и получила возможность бесплатно учиться в Вассарском колледже штата Нью-Йорк, куда принимали девочек из наиболее обеспеченных американских семей[33]. Там, среди прочих, она встретила Жаклин Бувье, которой вскоре предстояло стать госпожой Кеннеди. Окончив колледж, У Сюлань стала работать у Сэма Тинга, в группе, открывшей очарованный кварк. Возможно, причиной тому были китайские корни обоих, возможно, сходство характеров, но очень скоро она стала его верной ученицей. И “заразилась” от него настойчивостью и агрессивностью.

Как и многие из тех ученых, кто работал на LEP, Сюлань была убеждена, что слабые сигналы на уровне 115 ГэВ, зарегистрированные старым ускорителем, указывали на бозон Хиггса. Очевидно, поэтому над ее анализом довлело – или даже предопределяло его – получение ad hoc[34] сигнала любой ценой. Тот факт, что ее работа не была подтверждена другими группами, – проявление небрежности, делающей проведенные исследования уязвимыми. В таком случае ATLAS мог бы легко опровергнуть полученные результаты. Но могло случиться и так, что это был корректный и точно проведенный анализ, который нарочно держали под спудом, потому что Сюлань хотела заполучить всю славу открытия себе. А вдруг ей и впрямь удалось подобрать лучшие критерии отбора сигналов? Тогда, поколебавшись, ATLAS был бы вынужден признать ее правоту и опубликовать результаты. Ведь речь‑то бы шла о поистине эпохальном открытии. Но CMS в таком случае ждал неминуемый и близкий конец.

Реакция последовала стремительно. Исследовательская группа по распаду бозона Хиггса на два фотона – что, как предполагалось, было открыто Сюлань – собралась немедленно и трудилась в режиме нон-стоп. Вивек Шарма, который после нескольких месяцев работы в ЦЕРН поехал в Сан-Диего на день рождения своей семилетней дочери Мееры, был срочно вызван обратно. Мы создали task force[35] экспертов для более точной калибровки калориметра, все собранные к этому моменту данные подверглись ревизии, молодые исследователи получили карт-бланш на воспроизведение тех отобранных последовательностей в наших данных, которые, казалось, напоминают сигналы, полученные на ATLAS; проведение brain storm[36] всячески приветствовалось.

25 апреля Фабиола официально объявила, что проверки, проведенные на ATLAS, опровергли результат, так возбудивший мировые масс-медиа. Не было получено ни одного сигнала от распада бозона Хиггса на два фотона. Однако это сообщение меня не убедило, хотя и чуть приободрило. Сколько раз подобные официальные заявления делались только для того, чтобы снизить давление прессы и получить возможность работать спокойно! Никто не может гарантировать, что спустя несколько недель все не изменится. Мы обязаны довести до конца наши собственные проверки, а это займет еще какое‑то время.

В итоге мы приходим к тому же заключению: вблизи значения 115 ГэВ ничего нет, и дело, которое войдет в историю как Easter bump[37], может отправляться в архив. Однако же оно, хоть и здорово попортило нам нервы, имело благоприятные последствия для CMS. Группа по исследованиям распада бозона Хиггса на два фотона стала одной из самых сильных и компетентных. Ужас проиграть ATLAS соревнование заставил ее сделать за несколько недель больше, чем было сделано за много месяцев. Возникли новые идеи, были созданы новые инструменты. А главное – возникло то самое командное чувство, которое окажется востребованным совсем скоро, в тот самый момент, когда будут получены первые настоящие сигналы.

…Сюлань совершенно неожиданно вошла в мой кабинет на пятом этаже 40‑го корпуса, и я ошарашенно застыл, слушая ее извинения за случившееся. Она, которая, как и многие ее соотечественники, всегда спокойна и сдержанна, сейчас сидела передо мной в слезах. Сохранить невозмутимость мне не удалось. Я знал, что она совершила непростительную ошибку, нарушив – возможно, не желая того, возможно, из‑за амбиций – одно из важнейших правил коллабораций. Я знал, что она дорого заплатит за это, потому что окажется в сообществе ATLAS в изоляции. Возможно, будь она в CMS, я не чувствовал бы к ней жалости. Но вот она здесь, в моем кабинете, – в слезах. Никто не заставлял ее приходить, она просто осознавала, что обязана просить прощения за все те жертвы, на которые нам пришлось пойти по ее вине. И я сказал ей, что дело уже прошлое и что сейчас нам важно смотреть вперед и стараться открыть наконец эту проклятую частицу.

После Easter bump миновало всего несколько недель, и на нас обрушился новый удар. На этот раз что‑то не то было с нашими данными, но это что‑то не имело никакого отношения к бозону Хиггса. Ускоритель работал на полную катушку, Стив продолжал делать свою работу наилучшим образом: каждую неделю мы собирали больше данных, чем за весь 2010 год. Если так пойдет дальше, мы достигнем первого fb-1 уже к июню. И тут мы стали регулярно наблюдать некие любопытные события.

Это были очень чистые события, в которых в результате столкновения образовывались два электрона или два мюона, испускаемые под большими углами, – типичные события с большой поперечной энергией, предусмотренные в LHC; то, что не было предусмотрено, – так это их интенсификация в определенном отрезке масс с образованием избытка событий, своего рода пика в плотности распределения. А именно это мы и наблюдали. Вблизи 950 ГэВ, где мы не ожидали ничего особенного, вдруг появились сначала два, потом три и, наконец, четыре события, которые будто говорили нам: “Эй, вы чего медлите? Разве не видите, что мы тут?”

Я немедленно проинформировал всех в нашей коллаборации. На такие случаи (когда можно ожидать близкого открытия) у нас есть система, использующая стандартный кодекс трех цветов. Я активирую процедуру открытия оранжевым кодом, чтобы указать на возможность сигналов Новой физики. Эту возможность надо внимательно проверить, даже если тревога окажется ложной; но может случиться и так, что нам надо будет перейти на красный уровень, то есть к объявлению об открытии. В этом случае процедура предполагает активацию всей коллаборации на проверку событий, а также запуск целой серии тестов и поиск схожих событий, которые можно было бы использовать для аналогичного анализа. И тогда мы снова попадаем в фазу судорожного энтузиазма.

В данном случае события представляли собой именно то, что мы искали много лет. Это один из классических каналов распада супермассивного партнера Z-бозона – очень похожей на Z-бозон частицы, только в десять раз тяжелее, существование которой предсказывают отдельные теории экстраизмерений. Ее называют Z′, и ее открытие знаменовало бы эпохальный водораздел. Напряжение взлетело до небес. Сбор данных продолжался, подобные события мониторились в ежедневном режиме, и лучшие эксперты по электронам и мюонам оценивали в данных каждую деталь. Готовился очередной сеанс юстировки трекового детектора – для улучшения разрешения при измерении импульса мюонов. Похожие сигналы искались и в других распадах, с другими массивными аналогами известных частиц – например, с W′ и топ′. Природа могла подготовить для нас сюрприз вблизи энергии в 1 ТэВ, где мы бы открыли второе семейство частиц, подобных W-, Z-бозонам и топ-кварку, которые в Стандартной модели группируются близ уровня 100 ГэВ. Другие исследовательские группы включились в работу по полному пересмотру всех полученных данных, применяя различные критерии их отбора.

Нашему хладнокровию предстояло еще одно серьезное испытание. Все собранные данные явно подтверждали, что события представляют собой именно то, что мы думаем, сигналы продолжали усиливаться – и мы начали готовить кучу публикаций и неформально предупредили об открытии заместителя директора по науке Серджо Бертолуччи. Надо было подождать еще неделю, а потом, если ничего не изменится, провести совещание с Рольфом и Фабиолой и запустить процедуру открытия. Энтузиазм в коллаборции взлетел до небес. В успех поверили все, в том числе и самые осторожные. Молодежь разбушевалась не на шутку и даже придумала для новой частицы имя: Гвидо'.

Мне же было очень и очень не по себе. С одной стороны, я должен готовиться защищать результат, которому суждено стать сногсшибательным. Он бы ясно продемонстрировал, что мы живем во Вселенной с большим количеством измерений, и это бы навсегда поменяло нашу картину мира. Именно о таком открытии мы мечтали долгие годы. Но, с другой стороны, мне страшно. Уже случалось, что сногсшибательные результаты оборачивались в итоге простой статистической флуктуацией. Будущее CMS было одновременно чревато и триумфом, и провалом.

А потом вдруг все кончилось и интересных событий не стало: миновала одна неделя, миновала вторая… все они точно ушли в подполье. Какое‑то время мы думали, что проблема в наших триггерных цепях: мол, они начали сбоить, и потому мы не можем больше регистрировать события, – но время шло, и нам пришлось смириться. Сигнал переставал быть статистически значимым, причем чем дальше, тем больше. Я отменил оранжевый уровень тревоги и сообщил Серджо, что все вернулось к нормальности. Когда мы закончим сбор данных, на память от больших надежд на Z' нам останется малозаметная рудиментарная статистическая флуктуация на уровне 950 ГэВ. Дабы убедиться в том, что в нашей Вселенной не четыре, а шесть или десять измерений, и затем радикально изменить свой взгляд на мир, требуется время. Но мы сохранили хладнокровие и не потонули в волнах энтузиазма. Мы очень гордимся тем, как повел себя CMS.

Глава 6

Необычный день рождения

Прекрасный подарок

Женева,

8 ноября 2011 г.

Когда с момента окончания run (как мы называем период “бега” ускорителя, то есть его работы) прошло несколько недель, персонал ускорителя буквально всех ошеломил. Физики и инженеры своей кропотливой работой привели LHC к такому состоянию, что всего за один день на нем производилось больше столкновений, чем за целый 2010 год. Начиная с лета, LHC стал функционировать, как швейцарские часы.

Весь 2011 год операторы выполняют совершенно фантастическую работу. Теперь в каждом сгустке по 150 млрд протонов, и тут есть чего пугаться: при такой высокой интенсивности минимальный сбой мог обернуться для ускорителя катастрофой.

Поэтому его постоянно пристально мониторят. Меры предосторожности совершенствуются день ото дня. Всякое отклонение от заданных параметров – даже самое незначительное – при диагностике детально изучается. Потребовались недели и месяцы непрерывной работы, кропотливой и методичной, выполнявшейся мелкими шажками, с небольшими, но ежедневными усовершенствованиями, с осторожными попытками мало-помалу увеличивать светимость, но в конце концов мы все‑таки добились своего.

У Стива Майрса на весь год я просил 5 fb-1, и он всегда отмалчивался. Но затем, ничего не сказав, без всяких фанфар, он вдруг дал все 6 fb-1. О таком уровне мы лишь мечтали, и теперь в наших данных стали проглядывать достойные внимания события. Мы ждали их с нетерпением; они концентрировались в области небольших масс, самой сложной, но и самой интересной для изучения. На протяжении месяцев ребята, занятые анализом, совершенствуют инструменты, улучшают разрешение, повышают эффективность и все лучше понимают процессы, влияющие на фоновые шумы. И сейчас мы можем видеть результаты этих чрезвычайных усилий. Я по очереди знакомлюсь с молодыми энтузиастами, тянущими на себе всю группу и упорно продвигающимися к цели. Мне хорошо с ними, и мы встречаемся ежедневно.

8 ноября – мой день рождения. Проходит очередное совещание одной из многих исследовательских групп по бозону Хиггса, и аналитики представляют на нем свои результаты. Именно тогда появился пик на значении 125 ГэВ. Ничего сверхъестественного, но все же что‑то. Сам по себе такой всплеск подобных событий ничего не значит. Но он находится на том самом месте, где возникло небольшое уплотнение очень редких событий, некоторые из которых были собраны другой аналитической группой.

Это он.

Я это чувствую, хотя пока и не уверен окончательно. Должно быть, так оно и происходило у наших предков, охотников-собирателей. Кому‑то из них интуиция подсказывала: вон в тех зарослях скрывается добыча. Ничто не шелохнется, кругом царит тишина, нигде нет никаких следов, но он кидает копье и убежден, что оно прилетит в цель.

Сегодня я знаю это точно: мне первому стало известно, что бозон Хиггса существует, и, думая об этом, я ощущаю легкое головокружение, делающее меня невесомым. Мы искали его долгие годы, и некоторые даже начали сомневаться в его существовании. Но вот же он, прямо здесь, в самом очевидном месте. Прятался, думая, что находится в безопасности, – ан нет!

Через несколько месяцев об этом узнают все на свете, и мир будет праздновать очередную победу науки. А сегодня меня окружают молодые люди, те самые, кто первым выделил слабые сигналы. Мы спорим, шутим и смеемся. Никто не говорит об открытии, никто не упоминает имени Хиггса, но наши глаза ярко сияют. Мы уже знаем, что “отправили наше копье точно в цель”, и этого знания достаточно, чтобы все были возбуждены и счастливы. Я получил ко дню рождения самый ценный подарок, о каком только мог мечтать.

Ускоренный бег охотников за бозонами

Чтобы в полной мере оценить работу, которая привела к одному из самых важных открытий последних десятилетий, надо облачиться в охотничье одеяние, взять в руки охотничье оружие и понять, как им пользоваться.

Охота на бозон Хиггса велась не вслепую. Фоторобот подозреваемого номер один в Стандартной модели очень детализирован. Прекрасно известны его характерные черты и все процессы, в которых он образуется. Нет проблем с тем, чтобы предсказать, сколько бозонов может себя обнаружить в столкновениях на LHC и на какие частицы они будут распадаться. Никого не пугает, что ищутся исключительно редкие события. Нам не привыкать разыскивать иголку в стоге сена. Сложность в том, что фоторобот заметно меняется в зависимости от заранее не известной нам массы, и потому нам приходится держать под рукой сотни различных фотороботов, каждый из которых соответствует той или иной гипотезе относительно массы. Получается, будто мы одновременно ищем сотни различных частиц. Поэтому не надо удивляться, что нам понадобилось привлечь к работе десятки исследовательских групп и сотни физиков.

Прежде всего предстояло рассмотреть различные реакции, в которых может появляться эта частица. Из таких чаще всего на LHC случается слияние двух глюонов – переносчиков сильного взаимодействия, при лобовом столкновении аннигилирующих с образованием одиночного бозона Хиггса. Чтобы исключить неожиданности, мы рассмотрели также и другие механизмы, не столь часто встречающиеся, но оставляющие исключительно характерные следы. Из наиболее интересных – образование одного бозона Хиггса в паре с W– или Z-бозоном, или образование бозона Хиггса в процессе аннигиляции пары W– или Z-бозонов[38].

Далее надо было рассмотреть различные варианты распада бозона Хиггса. Во всем диапазоне масс, который мы изучали, от 115 до 1000 ГэВ, бозон Хиггса может распадаться на пару W– или на пару Z-бозонов. Поэтому два эти канала распада, как мы их называем, фигурировали во всех наших исследованиях. При массе больше 350 ГэВ становится возможным распад на пару топ-кварков, но это очень редкий и с трудом поддающийся идентификации процесс. При массе меньше 160 ГэВ, наоборот, становится возможным использовать редчайший распад на два фотона или на фермионные пары: например, на пару тау-лептонов либо на струи, порождаемые парой b-кварков (b-кварки иногда называют bottom quark или beauty quark[39]).

Для каждой из этих надежных характеристик надо также рассмотреть изрядное число вторичных каналов. К примеру, занимаясь распадом бозона Хиггса на пару Z-бозонов, надо посмотреть, на что Z-бозоны распадутся дальше, – и тут обнаружится много вариаций. Не будем забывать, что не только бозон Хиггса, но и W– и Z-бозоны – нестабильные частицы, которые сразу распадаются на какие‑то еще. Так, сначала рассматривается случай, когда один Z-бозон распадается на два мюона и второй на два мюона, потом ищутся распады второго на два электрона, или на два тау-лептона, или на пару нейтрино, или на две струи – и так далее. Затем мы перейдем к случаю, когда первый Z-бозон распадается на два электрона, а второй на два мюона; потом – когда и второй на два электрона – и так далее. В общем, добраться таким образом до бозона Хиггса – это как сыграть в “Китайскую шкатулку”: его надо идентифицировать по продуктам распада частиц, на которые он распадается.

Когда выбран определенный канал распада для данного диапазона масс, ищутся сигналы, совместимые с присутствием бозона. Поиск начинается с гипотезы, что бозон Хиггса не существует, и он направлен на то, чтобы исключить его присутствие. Если для каких‑то значений масс это сделать не удается, то это уже первый признак, что с такой массой он может и существовать. Число событий, характеристики которых сопоставимы с искомым сигналом, сравниваются с числом событий, которые должны наблюдаться, если бозон Хиггса существует и если у него именно такая масса. И так, отрезок за отрезком, канал за каналом, исследуется весь диапазон.

Все компьютерные симуляции, проведенные до того, как 5 fb-1 были достигнуты, показывали, что с такими данными у нас будет достаточная чувствительность, чтобы увидеть бозон Хиггса или исключить возможность его существования в диапазоне от 115 до нескольких сотен ГэВ. Как уже говорилось, диапазон между 115 и 150 ГэВ – самый сложный для исследования. Если бозон Хиггса скрывается здесь, то мы в лучшем случае увидим очень слабые сигналы, практически неразличимые на фоне шумов. Именно на этом диапазоне следует сконцентрировать все силы в непрерывном поиске все более точных методов анализа, чтобы получить данные по всем доступным каналам распада.

Здесь наиболее важны так называемые бозонные каналы, то есть те, в которых бозон Хиггса распадается на пару других бозонов – фотоны, W– или Z-бозоны. В случае, когда это пара W-бозонов, идентифицировать его относительно просто, потому что можно обнаружить в детекторах присутствие электронов и мюонов, образующихся в результате распада W-бозона. Коварство в том, что есть множество других реакций, не имеющих ничего общего с бозоном Хиггса, в которых также образуются пары лептонов с высокими энергиями и которые заглушают сигнал: выделить сигнал бозона Хиггса, распадающегося на пару W-бозонов, на фоне такого нормального шума – задача очень сложная. Кроме того, в этом канале очень низкое разрешение по массе. Дело в том, что распад W-бозонов на лептоны сопровождается нейтрино, которые остаются невидимыми для детекторов и улетают прочь, унося определенную долю выделившейся энергии, из‑за чего массу распадающейся частицы можно оценить только косвенно и приблизительно. В общем, распад на пару W-бозонов может дать нам понять, что что‑то происходит, но окончательного доказательства присутствия бозона Хиггса он нам не даст.

Чтобы проверить находку, надо получить сигналы в двух бозонных каналах с высоким разрешением: распад на два фотона и распад на пару Z-бозонов. В этих каналах есть возможность идентифицировать присутствие бозона Хиггса по появлению пиков в плотности распределения событий по массе – их избытка на вполне определенных отрезках.

Распад бозона Хиггса на фотоны сопровождается очень заметными событиями. Два фотона с высокими энергиями, которые излучаются в противоположных направлениях в плоскости, перпендикулярной пучку, очень легко обнаруживаются. И разрешающая способность калориметра CMS настолько высока, что энергия фотонов прекрасно измеряется. Если они возникли в результате распада бозона Хиггса, то дадут определить его массу с точностью до 1–2 %, а все сигналы соберутся в один очень узкий пик.

К сожалению, даже в этом случае есть другие явления, которые продуцируют события, идентичные искомым, и заглушают сигнал. События, вносящие свой вклад в фоновый шум, значительно более многочисленны, чем те, которые вызывает распад бозона Хиггса, но их распределение по массам сильно отличается. Мы тут не видим пиков, распределение везде регулярное, и число событий быстро убывает с ростом массы. Поиск бозона Хиггса подразумевает умение достаточно хорошо измерить это фоновое распределение, чтобы смочь выявить минимальные горбы, остающиеся от пиков, которые мы ищем.

Распад бозона Хиггса на пару Z-бозонов также сопровождается очень выразительными событиями. В этом случае в данных, которые мы регистрируем, появляются только четыре лептона. Каждый из Z-бозонов действительно распадается на пару электронов или мюонов; следовательно, мы можем получить только три различных комбинации: четыре электрона, четыре мюона или два электрона и два мюона. Разрешающая способность CMS при измерении электронов и мюонов прекрасна. В этих событиях не рождаются нейтрино, и полная энергия может быть измерена с точностью 1–2 %. Другими словами, мы можем реконструировать массу бозона Хиггса, из которого образовались эти четыре лептона, с исключительной точностью, и в этом случае присутствие бозона Хиггса также обнаруживается по пику в плотности распределения событий по массе. В противоположность тому, что происходит при распаде бозона Хиггса на два фотона, в этом случае фоновых шумов значительно меньше. В Стандартной модели события, в которых образуются четыре лептона, исключительно редки при энергиях ниже 150 ГэВ. К сожалению, при таких энергиях очень редки также события с участием бозона Хиггса. Во всей статистике, собранной в 2011 году, мы ожидали обнаружить только два или три таких события, но нужно было постараться не пропустить и одного, поскольку даже единственное событие может кардинально изменить ситуацию.

Фермионные каналы, то есть такие, в которых бозон Хиггса распадается на две струи b-кварков или на два тау-лептона, значительно сложнее всех прочих. Доля случаев, в которых они имеют место, высока, но результирующие распады бозона Хиггса практически идентичны огромному числу нормальных событий, которые замазывают сигнал и “мутят воду”. Эти каналы будут изучаться и станут важны уже после открытия бозона Хиггса, когда понадобится выяснить, нет ли каких‑то других аномалий, – в частности, связан ли бозон Хиггса с фермионами именно так, как предсказывает Стандартная модель.

Так выглядит принятая нами стратегия поиска бозона Хиггса. В области больших масс данных должно быть достаточно для получения хорошо видимого сигнала при комбинации всех каналов распада на пары W– и Z-бозонов. Если бозон Хиггса, напротив, окажется в области значительно более проблемной, со значениями массы меньше 150 ГэВ, то мы распознаем первые признаки его присутствия, регистрируя избыток событий в канале распада на пару W-бозонов, а в каналах распада на два фотона и на два Z-бозона в то же самое время появятся два ясно различимых пика при одном и том же значении массы.

Когда мы видим появление сигнала, то должны проверить, совместимы ли его интенсивность и вероятности различных каналов распада с теми, которые предсказывает теория для бозона Хиггса с такой же массой. Наконец, надо учитывать статистику, потому что каждая новая наблюдаемая нами картинка может оказаться не более чем случайной флуктуацией уже известных явлений, вносящих свой вклад в фоновый шум. В том, что действительно происходит нечто новое, мы будем уверены лишь тогда, когда сигнал окажется настолько силен, что вероятность для него оказаться результатом простой статистической флуктуации будет доведена до значения менее одной миллионной. До этого момента мы обязаны проявлять осмотрительность.

И снова контрастный душ

К июню 2011 года на LHC уже собрано более 1 fb-1 данных. Целевое значение для всего года было достигнуто в первые три месяца. Теперь статистика позволяла нам изучать все самые интересные каналы, и, по мере накопления данных, становилось все более маловероятно, что бозон Хиггса прячется где‑то в области больших масс. В промежутке между 150 и 450 ГэВ мы уже достигли достаточной чувствительности, чтобы либо увидеть бозон, либо исключить его присутствие здесь. Но при бóльших значениях массы у нас не было значимого избытка событий. Все, что мы видели, объяснялось уже известными процессами Стандартной модели, так что теперь мы могли приступать к исключению присутствия бозона Хиггса в области от 150 до 200 ГэВ и в области от 300 до 450 ГэВ. Делать заключения для значений массы между 200 и 300 ГэВ, ниже 150 и выше 500 ГэВ мы пока не могли: чтобы говорить о чем‑то с уверенностью, нашей технике недоставало чувствительности. Нам требовалось больше данных.

И, тем не менее, в области ниже 150 ГэВ явно происходило что‑то любопытное. Интерес и удивление вызывал избыток событий в канале распада на два W-бозона. Однако все относились к этому со скепсисом, так как в каналах распада на два фотона или на четыре лептона ничего не было; впрочем, для каких‑то определенных предположений статистика была еще недостаточна.

После того как все было проверено, мы представили первые результаты на конгрессе Европейского физического общества, собравшегося в Гренобле в июле. Обнаруженный нами избыток не был значим и преимущественно проявлялся в канале распада с низким разрешением; тем не менее возник некоторый ажиотаж, ибо нечто похожее наблюдали и на ATLAS.

В точности, как и наши данные на CMS, результаты, полученные на ATLAS, исключили большие значения массы для бозона Хиггса, между 150 и 200 ГэВ и между 300 и 450 ГэВ. В них тоже присутствует избыток событий в канале распада на два W-бозона и на том же отрезке небольших значений масс, несмотря на то, что два эти результата заметно различаются. Интерес научного сообщества был до того высоким, а внимание прессы настолько настойчивым, что в мире стало шириться ожидание неминуемого открытия; в коллаборациях неостановимо нарастал оптимизм. Однако эти ожидания были абсолютно необоснованными, и мы всячески старались объяснять это как коллегам из коллабораций, так и журналистам. Время еще не пришло, чувствительность пока недостаточна, надо подождать, когда мы пройдем рубеж в 5 fb-1, – лишь после этого можно будет сказать что‑то определенное и относительно области небольших масс. О верных признаках присутствия бозона Хиггса можно будет говорить только тогда, когда появятся – если вообще появятся! – какие‑то сигналы и в каналах с высоким разрешением. Но все наши усилия оказались напрасными. В газетах выходили статьи с заголовками “Хиггс: мы, кажется, у цели!” или “Интригующий избыток событий на уровне 140 ГэВ – возможно, именно там прячется давно разыскиваемый бозон”.

Впрочем, во всей этой какофонии была и одна радующая нота: стало ясно, что эксперименты на LHC заняли лидирующие позиции в гонке за бозоном Хиггса. Ученые с Тэватрона чувствовали наше дыхание на своих затылках. Данные, которые они представляли в Гренобле, год спустя после шокировавшего нас выступления в Париже, больше не были такими же интересными. Все знали, что если LHC не сбавит темп, Тэватрон соревнование проиграет.

После нашего выступления в Гренобле, вызвавшего взрыв энтузиазма, миновало всего несколько недель, когда все вдруг вмиг успокоилось. Сначала на ATLAS обнаружили небольшую ошибку в своем анализе: во время подготовки доклада на конференции один из источников фонового шума был сильно недооценен. При повторном проведении вычислений выяснилось, что избыток событий, вызвавший столько разговоров, стал значительно менее очевиден. При дальнейшем исследовании новых данных все и вовсе вернулось к нормальности. LHC продолжал работать полным ходом, и в последующие недели избыток событий при 140 ГэВ ослаб в обоих экспериментах до почти полного исчезновения.

Когда мы встретились в августе в Мумбае на Лептон-фотонной конференции[40] (в сезон проливных дождей, принесенных индийскими муссонами), оба эксперимента только и смогли, что меланхолически констатировать: избыток событий на малых массах, так всех впечатливший всего месяц назад, вместо того чтобы становиться заметнее и заметнее, утратил всякую значимость. Депрессивные муссоны смыли последние остатки энтузиазма. Наши эмоции еще раз прокатились на американских горках, но нам было не привыкать.

Как часто случается при переходе от энтузиазма к разочарованию, теперь превалировал пессимизм. Мы готовились к худшему: LHC ничего нам не даст, бозон Хиггса не существует. Почти все были уверены, что наши старания ни к чему не приведут. Мы окажемся очередными в длинном списке экспериментов, поставленных теми, кто напрасно рассчитывал бесстрашно взлететь к небесам. Рассуждения же вроде: “Доказать, что бозон Хиггса не существует, – это тоже важное научное открытие” – не слишком большое утешение. Хотя в физике, разумеется, очень важны и отрицательные результаты, доказывающие ложность той или иной теории. Не найти предсказанную теорией частицу – это не провал; напротив: ненахождение частицы налагает дополнительные ограничения на все известные модели, означает исключительно важный шаг познания, переключает внимание на пока еще не фальсифицированные теории или побуждает создавать новые.

К сожалению, каждый из нас понимал, что для LHC такой исход повлек бы очень серьезные последствия. Неудивительно, что Совет ЦЕРН сразу распорядился создать небольшую рабочую группу по выработке документа, объясняющего, насколько важно в научном плане исключение бозона Хиггса. И 16 сентября появился первый проект этого документа со странным заголовком “Научная значимость исключения бозона Хиггса в диапазоне масс между 114 и 600 ГэВ и наилучшие способы оповещения об этом”. В частности, нас очень озадачивала его вторая часть. Очевидно, Совет опасался, что могут возникнуть политические трения, которые вынудят некоторые страны в будущем уклоняться от амбициозных проектов, связанных с ускорителем. Или, хуже того, что какие‑то из двадцати стран, входящих в ЦЕРН, сократят свой ежегодный взнос на поддержку этой организации, лавинообразно увлекая за собой и других. Никакие красивые декларации не могли скрыть тот факт, что в годы экономического кризиса и всевозможных оптимизаций расходов, затронувших многие администрации, эта самая фиксированная сумма ежегодных платежей в швейцарских франках не то чтобы на ура воспринималась и некоторыми правительствами, и европейским общественным мнением.

Тем не менее невозможно было отрицать психологические последствия для нашего сообщества, годами пребывавшего в напряжении и уже не раз внезапно испытавшего на себе прелести контрастного душа. Каждый из нас понимал, что документ, поданный в Совет, корректен с научной точки зрения, но никто не мог бы убедить нас, что удовлетворение от открытия нового состояния материи сравнимо с удовлетворением от доказательства того, что его не существует.

Только нейтрино нам и не хватало!

Еще бы чуть‑чуть – и я бы умер. Кусок сэндвича, откушенный в спешке и в озлоблении, встал мне поперек горла. Мы с Серджо – на шестом этаже центрального здания, над генеральной дирекцией, у дверей зала, где проходила встреча с наиболее важными научными и финансовыми комитетами. У нас перерыв, чтобы перекусить и выпить кофе. Серджо отозвал меня в сторонку: “Готовится настоящая бомба. Надо еще провести некоторые проверки, но похоже, что в OPERA, эксперименте под руководством Антонио Эредитато, зарегистрировали нейтрино, распространяющиеся со скоростью больше скорости света. Уже несколько месяцев они все проверяют и перепроверяют, но эффект сохраняется. Еще немного – и будет официальное объявление. Пристегивайте ремни!”

OPERA – это эксперимент в подземной лаборатории, расположенной в Италии, в горах Гран-Сассо, примерно в 700 км от ЦЕРН. Задача эксперимента состоит в сборе доказательств осцилляций мюонного нейтрино в тау-нейтрино. Склонность нейтрино к самопроизвольным превращениям друг в друга уже была доказана для других поколений этого семейства, но пока еще никому не удавалось зарегистрировать события, которые собрались изучать в OPERA. Пучок мюонных нейтрино высокой интенсивности направляется из ЦЕРН через толщу земной коры и достигает Гран-Сассо. Нейтрино – легчайшие частицы, не участвующие ни в сильных, ни в электромагнитных взаимодействиях, могут беспрепятственно преодолевать тысячи километров горных пород. В OPERA регистрируют редкие взаимодействия этих частиц с детекторами в надежде на редчайшие случаи превращения по дороге мюонных нейтрино, испущенных в ЦЕРН, в тау-нейтрино.

В 2010 году в OPERA зарегистрировали первый такой случай и теперь продолжают собирать данные, чтобы зарегистрировать другие случаи. Попутно они измеряют время, за которое эти частицы достигают Гран-Сассо; собственно отсюда физики и сделали свой умопомрачительный вывод: нейтрино тратят на дорогу на 60 миллиардных долей секунды меньше, чем предсказано. Пустяк, казалось бы, но если все подтвердится, то придется признать, что нейтрино – хотя бы при определенных условиях – могут двигаться со скоростью, превышающей скорость света. Результат ошеломительный и во всех отношениях неожиданный.

Моя первая реакция – раздражение. Только этого нам сейчас не хватало! Очередная медийная буря разразится в тот самый момент, когда мы должны сосредоточенно и спокойно работать. Вместо того чтобы тратить энергию на анализ новых данных, получаемых на LHC, и вникать во всевозможные тонкости, нам придется тратить время на расспросы журналистов, на телевизионные интервью, на изучение деталей проводимых экспериментов, чтобы не ляпнуть какую‑нибудь неточность.

А потом появился страх. Вот он, наихудший сценарий нашего будущего! На уровне инстинктов я, разумеется, не мог принять результаты этих экспериментов, и я был не одинок, когда сразу подумал о том, что допущена какая‑то ошибка. Со скепсисом отнеслось к полученным результатам подавляющее большинство исследователей. И дело было не только в некритическом доверии к специальной теории относительности – все ученые на самом деле осознают, что рано или поздно будет проведен некий эксперимент, который заставит нас отказаться даже от тех немногих истин, что кажутся сегодня гранитными.

Причина скептицизма заключалась в том, что скорость нейтрино уже не раз измерялась и никогда не превышала скорости света, причем даже на значительно бóльших расстояниях. Когда в 1987 году взорвалась сверхновая, было проведено много экспериментов с нейтрино, прибывших к нам от умирающей звезды, и нигде не наблюдалось никакой аномалии. Это правда, что в данном случае речь шла о совсем других энергиях, но исходить из того, что нейтрино, излученные звездой, почему‑то движутся медленнее, чем нейтрино от ЦЕРН, – это значит строить аргументацию на песке. А кроме того, будь это и правда так, подобная аномалия сильно сказалась бы на других величинах, уже измеренных с колоссальной точностью.

Страх, который я испытывал, был порожден кошмарной картиной, внезапно представшей перед моим внутренним взором. Вот отпразднуем мы сейчас это выдающееся открытие, сколько‑то месяцев ЦЕРН будет на щите, и все станут повторять: именно здесь самая важная в мире лаборатория, где делают эпохальные открытия и даже ставят под вопрос авторитет самого Эйнштейна. А потом, может быть, всего через несколько месяцев, выяснится, что все дело в допущенной ошибке, и тогда наступит печальный финал – потеря лица и глобальное недоверие. И тут вдруг, посреди всего этого, заявляемся мы со своим LHC и с невинным видом сообщаем: знаете, а мы открыли бозон Хиггса. Мне кажется, я уже слышу громкий хохот, которым будет встречено это наше известие. Так стоит ли вообще лезть во все это дерьмо? Что выигрывает ЦЕРН, связывая свою деятельность и свой престиж с результатами Эредитато? А ведь OPERA – это даже не один из экспериментов ЦЕРН!

Но фарш уже провернут. Эредитато представил свои результаты в центральной аудитории – в том историческом месте, откуда сообщалось о величайших открытиях, – и его доклад привлек к себе, как и ожидалось, планетарное внимание: сотни статей, десятки интервью, несчетное количество веб-сайтов. Даже я, хотя я тут никаким боком, получил десятки поздравлений по телефону и по электронной почте – по случаю нового замечательного результата ЦЕРН. И мне приходилось прикусывать себе язык, чтобы не сказать открытым текстом, что я по этому поводу думаю. Давая официальные комментарии, я изо всех сил пытался сохранять спокойствие: “Эксперимент интересный, но… необходимо тщательно проверить, прежде чем… нужны подтверждения в других экспериментах… бла-бла-бла”.

Недоумение еще больше возросло, когда выяснилось, что коллаборация в OPERA расколота до такой степени, что даже не все ее члены поставили свои подписи под публикацией. Это свидетельствовало о том, что во внутренних механизмах эксперимента не все функционировало так, как надо.

Как мы уже видели, когда в больших коллаборациях регистрируется некий неожиданный результат, сразу запускается процедура верификации и проверок, которая должна быть тем более глубокой и всесторонней, чем более резонансным и значимым в научном плане может оказаться предполагаемое открытие. Организовать процесс валидации[41], убедиться, что никакая мелочь не ускользнула от внимания, – главная задача ответственных лиц эксперимента. Без такого механизма внутренних проверок CMS каждый день открывал бы то экстраизмерения, то суперсимметричные частицы. В таких сложных устройствах достаточно пустяка, чтобы появился сигнал, похожий на те, которые могли бы опрокинуть всю картину мира. Это может быть и недостаточно откалиброванный детектор, и дефект в электрической цепи, и банальная электромагнитная помеха, и незамеченный шумовой фон, и забытый баг в одной из бесчисленных строчек кода… перечислять тут можно до бесконечности.

По сути, речь идет об энтропии. Есть тысячи разных способов произвести скверное вино, но лишь один (с незначительными вариациями) – дать жизнь настоящему “Сассикайя”. То же самое правило работает в физике. Не существует магического рецепта, который защитит тебя на все сто процентов, но достаточно пренебречь какой‑то одной из контрольных процедур – потому, что слишком торопишься, или потому, что тебя манит свет прожекторов, – и результат наверняка окажется катастрофическим. Поэтому нам требуются выдержка и хладнокровие. А самое главное – в таких решениях должны принимать участие все физики эксперимента. Ты обязан сразу обратиться к тысячам умных и компетентных экспертов, чтобы они искали в твоих рассуждениях не замеченные тобой слабые места.

Именно для этого как раз и нужна максимальная прозрачность внутри эксперимента. Все должны иметь полный доступ ко всей информации. Все должны осознавать свое право / свою обязанность нелицеприятно критиковать результат, полученный одной из аналитических групп. Все должны получить полный доступ к каждой детали проводимого исследования и быть в состоянии провести его заново. Если результат подразумевает резонансные последствия, ты должен обязательно обратиться ко многим независимым группам с просьбой воспроизвести его, используя абсолютно другие методы и программное обеспечение. Принципиально важно в этом процессе забыть об иерархиях и авторитетах. Много раз я видел в CMS совершенно юных студентов, которые одним простым вопросом разбивали результаты, представляемые известными профессорами.

Увы, приходится признать, что, несмотря на любые усилия, ошибки все равно происходят. От них не застрахованы никакие эксперименты, даже самые знаменитые. В 1985 году UA1, эксперимент, руководимый Руббиа, объявил об открытии топ-кварка с массой 40 ГэВ. Но UA2 не смог воспроизвести результат, и очень скоро оказалось, что Руббиа совершил ошибку; правда, полученная им незадолго до того Нобелевская премия защитила его от более тяжких последствий, чем краткосрочная потеря доверия. Ну, а о ложной тревоге на LEP по случаю несостоявшегося открытия бозона Хиггса на 115 ГэВ я уже говорил… и этот “скорбный список” можно продолжить.

Когда ты двигаешь вперед свои отряды для исследования новых территорий, то должен принимать в расчет вероятность где‑то споткнуться. Тебе надо признать, что среди сотни экспериментов за гранью возможного окажутся и такие, что дадут бессмысленный результат. Принцип научной достоверности – со времен Галилея требующий, чтобы, поставив тот же самый эксперимент в тех же самых условиях, всегда можно было проверить и перепроверить любой научный результат, а также чтобы независимые экспериментаторы пришли к тем же выводам, – целых 400 лет убедительно демонстрировал свою неизменную работоспособность. В истории с OPERA хватило нескольких месяцев, дабы стало ясно: этот принцип не был соблюден, полученный результат не был подтвержден в других экспериментах, и потому его сразу следовало отправить в архив – в качестве очередного наглядного примера допущенной ошибки. В чем тут была неправильность? В том, что происходило внутри коллаборации. Как стало известно вскоре после публичного сообщения о полученном результате, некоторые детали эксперимента скрывались даже от его участников. Никто не обращался к независимым группам исследователей для проверки экспериментальных процедур и повторения полученного результата иными методами. Спикер очень спешил объявить о громком открытии. Тем, кто пытался выразить сомнение и потребовать дополнительных проверок, затыкали рты, на них давили авторитетом, и потому они попросту не стали ставить свои подписи под статьей. Все эти грубые ошибки не позволили сразу обнаружить то, что вскрылось позднее, весной 2012 года: какое‑то дурацкое оптоволокно не было подсоединено должным образом, отчего измерение, вызвавшее такой ажиотаж, оказалось полной ерундой.

Что же касается LHC, то нам здорово повезло, что все это случилось весной, спустя несколько месяцев после того, как на декабрьском семинаре мы на весь мир объявили о первых свидетельствах присутствия бозона. Когда в OPERA признали свою ошибку, мы в ЦЕРН уже работали над открытием. Но ситуация все еще оставалась очень рискованной.

В конце концов за все ответил Эредитато; он, конечно, был виноват во многом, но расплачиваться ему пришлось и за то, в чем его вины не было. Он утратил доверие и был вынужден оставить свой пост, а те самые информационные каналы, которые совсем недавно пели ему осанну как новому Эйнштейну, принялись безжалостно его высмеивать. Все те, кто заскочил в вагон к “победителю”, в минуту его поражения и позора мгновенно испарились. ЦЕРН делал вид, что все идет по плану. Его сдержанное коммюнике сообщало, что в OPERA обнаружили дефекты в экспериментальном оборудовании, которые ставят под сомнение результаты, обнародованные несколькими месяцами ранее. Позже, вспоминая об этом эпизоде, Серджо Бертоллучи ядовито заметит: “Было ясно, что так оно и закончится. Разве в Италии хоть что‑то может произойти раньше положенного срока?”

Разумеется, то, когда именно и при каких обстоятельствах “взорвется нейтринная бомба”, определил случай. Но я не исключаю и вмешательства кого‑либо еще, кому понадобилось, чтобы ЦЕРН непременно расписался под сенсационными достижениями. Это непрерывное стремление к тому, чтобы всегда быть на первых полосах, – один из результатов чрезмерного внимания прессы после 2008 года. Я долго пытался понять, кто же принял решение о поддержке открытия OPERA со стороны ЦЕРН. Но, боюсь, мое любопытство так и останется неудовлетворенным.

Убейте этот сигнал

Пока внимание всего мира было приковано к нейтрино, мы упорно изучали новые данные. Стив продолжал увеличивать светимость ускорителя, и все шло наилучшим образом. Данные все прибывали и прибывали, однако, к сожалению, крутиться в полную силу шестеренкам нашего механизма мешали кое‑какие песчинки. Одна из них – это pile-up[42].

Для того, чтобы увеличить светимость, Стив увеличивал плотность протонов в каждом сгустке и улучшал фокусировку пучков. Все это приводило к хорошо известному для ускорителей типа LHC явлению, с которым мы, однако, не рассчитывали встретиться так скоро. На практике число столкновений для каждого пересечения пучков росло слишком быстро. От идеального случая, когда на каждое пересечение приходится по одному столкновению, мы пришли к ситуации, когда надо было реконструировать по 12 столкновений на пересечение, а иногда дело доходило и до совсем экстремальных 25 столкновений на пересечение. Из них от силы одно могло представлять какой‑то интерес, а во всех остальных отмечалась слишком низкая энергия. Но в каждом таком столкновении образовывались десятки частиц, запутывавших картину, которую нам предстояло изучать.

Эксперименты на LHC проектировались с учетом этого явления, но нам впервые пришлось с ним столкнуться в реальности, и никто не мог гарантировать, что готовые рецепты будут работать так, как задумывалось. В июле мы получили предупреждение и сразу же принялись за работу. Многие даже отказались от своего недельного отпуска в августе, чтобы в сентябре, когда начнется финальная суматоха, все было гарантированно готово. На бумаге предлагавшиеся инновативные идеи вроде бы работали очень хорошо, но мы готовились вмешаться, если что‑то пойдет не так. События могли оказаться настолько сложнее, чем предполагалось, что их не удастся записать на диск. Наш адский суперпроцессор, тот самый триггер, который на лету отбирает и реконструирует лишь многообещающие события, мог просто захлебнуться в потоке данных. Кроме того, надо было следить за тем, чтобы все расчеты в этих новых условиях давали достоверные результаты, а для этого требовалась подробная численная симуляция на компьютере миллиардов событий.

К счастью, рост оказался не лавинообразным, а вполне постепенным, так что у нас было время проводить проверки шаг за шагом, по мере необходимости приспосабливаясь к изменениям. Но сложность заключалась в том, что нам при этом нельзя было терять ни секунды. Сотни людей месяц за месяцем напряженно работали и всеми силами старались уменьшить затраты времени на реконструкцию треков, стремясь снизить путаницу в калориметрах и смягчить эффект pile-up при отборе электронов, фотонов и мюонов – наиболее важных частиц для выявления признаков бозона Хиггса.

Параллельно с этим следовало удостовериться в качестве новых данных; зачастую их надо было быстро отправлять на повторную обработку – в надежде воспользоваться результатом идеальной юстировки и калибровки. Мы не могли тратить месяцы на ожидание. У нас было всего несколько недель, чтобы провести полный анализ и понять: есть тут этот проклятый бозон или нет.

Оркестр звучит прекрасно во всех регистрах, дирижер может не слишком напрягаться. У него полное взаимопонимание с оркестрантами. Достаточно легкого взмаха дирижерской палочки или даже грозного взгляда – и группы инструментов в нужный момент подхватывают мелодию либо умолкают, а солисты виртуозно сменяют друг друга. Прежде мне никогда не доводилось видеть, чтобы такой большой и такой разношерстный коллектив работал столь слаженно, страстно и неутомимо, словно он и в самом деле был единым организмом.

И результаты не заставили себя ждать. Наиболее важная роль – у трех групп, занимающихся поисками бозона Хиггса в области небольших масс. В каждой работают сотни физиков, входящих в сеть подгрупп.

Та, которая занималась распадом бозона Хиггса на пару W-бозонов, обеспечивала рост чувствительности ускорителя. Я уже упоминал, что разрешающая способность в этом канале по массе была несопоставима с разрешающей способностью в распадах бозона Хиггса на два фотона или четыре лептона. Именно от этих групп зависел исход дела. Если никакого избытка распадов на два W-бозона не будет, то все усилия окажутся напрасными. Работая как проклятые, ребята из группы W смогли в итоге поднять чувствительность в этом канале и выдавали теперь информацию о происходящем в области небольших масс на уровне 120 ГэВ – то есть близко к порогу LEP, – в той самой области, которая еще несколько месяцев назад рассматривалась как непригодная к исследованию. Ради уверенности в надежности результата были организованы дополнительные независимые проверки. Три воинственно настроенные подгруппы сотрудничали и конкурировали друг с другом, стараясь превзойти соперников в надежности и убедительности результатов, которые будут опубликованы как достижение всей коллаборации.

Группа, искавшая бозон Хиггса в парах фотонов, знала, что находится в центре внимания, но также чувствовала и ответственность за получение надежных результатов. А значит, исследователям надо было предельно откалибровать электромагнитный калориметр и максимально учесть фоновые процессы. Сигналы от распада бозона Хиггса на два фотона очень заметны, но нужно распознать сотню таких событий на фоне десятков тысяч других, хотя они и выглядят очень похоже. Тут тоже требуется создавать независимые аналитические группы, которые станут использовать для идентификации тех же самых сигналов иные методы. Каждый результат, полученный одной из подгрупп, будет верифицирован, событие за событием, другими подгруппами, до тех пор, пока анализ в разных подгруппах не будет полностью синхронизирован. Всякое, даже мельчайшее, улучшение разрешающей способности может оказаться важным. Вот, скажем, подгруппа, занимающаяся откликом калориметра; каждый из 75 000 кристаллов анализируется, словно под микроскопом; изучается отклик каждого кристалла в зависимости от точки попадания частиц; проверяется, как отклик кристалла меняется с течением времени, – и делаются корректировки, учитывающие любые вариации условий, в которых протекают эксперименты. Другая подгруппа работает над тем, чтобы по информации о двух фотонах реконструировать координаты точки, откуда они были излучены, и сопоставить их с координатами места столкновения частиц. Еще одна подгруппа разделила все события на различные классы, приписав каждому определенный вес в зависимости от чистоты получаемого сигнала. И хотя таким образом достигается предельная чувствительность, процедура проверок становится исключительно сложной, особенно на этапе согласования результатов работы всех подгрупп.

Наконец, есть группа, занимающаяся распадом бозона Хиггса на четыре лептона. Тут тоже многое делается для изучения электронов и мюонов низких энергий и возможностей их идентифицировать в условиях возросшего pile-up последних месяцев. Это необходимо проделать при поиске бозона Хиггса в области небольших масс, поскольку мы знаем, что можем в лучшем случае рассчитывать на горстку полезных событий. Распад бозона Хиггса на пару Z-бозонов с последующим распадом каждого из них на пару электронов или пару мюонов – процесс очень ясный, потому что фон тут невелик, но эти события так редки, что мы не можем себе позволить пропустить ни одно из них. Очень кстати кто‑то обнаружил, что на основании предсказанных свойств бозона Хиггса можно улучшить выделение сигнала из фона, анализируя угловое распределение лептонов после распада. Как и в других группах, анализ тут проводят независимо и поэтапно – ради достижения лучшего результата.

Во всех группах есть молодые и очень молодые сотрудники, которые стремятся использовать наиболее инновационные методы анализа, принятые к использованию в физике относительно недавно и особенно эффективные при поиске слабых сигналов в наиболее запутанных ситуациях. Их называют многомерным анализом данных, так как в настоящее время для отбора наиболее интересных событий они используют всевозможные переменные. Однако мы в CMS пока не верим, что они пригодятся для поиска бозона Хиггса. В таких сложных методах анализа всегда есть риск утратить контроль над тем, что вы делаете. Но инновационные методы очень важны, так как дают нам возможность организовать дополнительную проверку происходящего.

В первых числах ноября охотники за бозоном Хиггса заметили новые странности. Группа, занимающаяся парами W-бозонов, увидела избыток интересных событий во всем диапазоне масс меньше 160 ГэВ; это могло быть первым указанием на то, что в этой области что‑то происходит, но мы уже пережили слишком много взлетов и падений, чтобы отнестись к новости с энтузиазмом. Более интересной выглядела ситуация с распадом бозона Хиггса на четыре лептона. Для масс меньше 130 ГэВ событий было явно больше ожидаемого. Но мы пока не понимали, что там творится. Были два события около 125 ГэВ и три около 119 ГэВ. Какая из зон была правильной? Или в обоих случаях речь шла о статистических флуктуациях, временных сгущениях событий, которым суждено рассосаться по мере накопления новых данных?

Все взгляды были прикованы к распаду бозона Хиггса на два фотона. Но группы пока не успели проанализировать полный объем данных, потому что анализ должен был проводиться синхронизированно и мы ожидали проведения новых калибровок. Поэтому 8 ноября, когда проходило очередное совещание группы, никто особо не волновался. За исключением меня, Вивека и еще пары участников встречи, большинство присутствующих не следило за тем, что происходит в других группах. Мы принимали участие во всех совещаниях и получали информацию из первых рук, а люди, входившие в ту или иную группу, были слишком поглощены собственной работой, чтобы вдаваться в то, чем заняты другие.

Когда в их результатах появляется пик на 125 ГэВ, лишь немногие понимают, что на самом деле происходит. Во-первых, сигнал слаб, во‑вторых, на 145 ГэВ есть еще один пик, так что вполне можно подумать, что мы видим всего лишь очередную статистическую флуктуацию. Но если бы кто‑то, подобно мне, просмотрел перед этим другие результаты, то у него бы наверняка тоже заколотилось сердце. Совещание шло обычным ходом: задавались вопросы, предлагались объяснения. Однако когда в тот же день я повстречал ребят из двух других групп первичного анализа – они как раз обменивались новостями, – мне не потребовалось много слов, чтобы описать ситуацию.

Приказ, отданный немедленно, звучал абсолютно ясно и обсуждению не подлежал: у вас есть две недели на то, чтобы убить этот сигнал. Сделайте все, чтобы его не было. Если же у вас это не получится, то я еще до конца месяца сообщу о нем генеральному директору.

Для CMS начались безумные дни бесконечных проверок, страха и острых конфликтов. Прочая же научная общественность, не имевшая отношения к LHC, сохраняла спокойствие и обсуждала новые горизонты, открывавшиеся в связи с тем, что, как теперь стало ясно, бозона Хиггса не существует.

Через неделю после моего дня рождения я был в Сорбонне, на одной из регулярных встреч физиков-теоретиков. Они яростно спорили, выбирая между различными моделями Новой физики, объясняющими отсутствие бозона Хиггса. Кое-кто, обладавший сомнительным чувством юмора, даже начал свое выступление с замечания, что Питеру уже больше восьмидесяти лет, и со слайда, на котором виднелся надгробный камень с надписью: “ХИГГС R. I. P.” (то есть “Да упокоится с миром” на латыни). Пока шли дискуссии, я все время отвлекался на свой мобильник, ожидая новостей из ЦЕРН. Легкая улыбка освещала мое лицо.

Глава 7

Семь месяцев, которые потрясли физику

Мороз по коже

ЦЕРН, Женева,

28 ноября 2011 г.

За несколько недель мы перепробовали все, что только можно, но у нас ничего не получалось. Ребята из исследовательских групп по Хиггсу пустились во все тяжкие, чтобы бросить тень на полученные результаты или найти слабость в анализе. На подмогу были вызваны самые что ни на есть искушенные, чего только не повидавшие на своем веку физики – пособирать, так сказать, колоски за более молодыми коллегами. События рассматривались одно за другим лучшими специалистами по детекторам, искавшими мельчайшие признаки патологии. Они задавали сотни вопросов, и на каждый из них давался убедительный ответ; в конце концов нам пришлось сдаться: сигнал был и никуда не девался. Я позвонил генеральному директору, чтобы подтвердить нашу встречу 28 ноября.

Рольф не дает мне времени посидеть за столом с Серджо и Фабиолой – мне сразу приходится начинать. Генеральному не терпится посмотреть данные. Он знает, хотя я пока ничего ему не говорил, что мы кое‑что нашли, но все, разумеется, решат детали. Я открываю ноутбук и принимаюсь рассказывать. Перечисляю все каналы распада, которые мы успели изучить. Говорю о проблемах, с которыми нам пришлось столкнуться, – в частности, о тех, что связаны с фермионными каналами, хотя изначально мы даже не собирались ими заниматься. Говорю о том, какой чувствительности нам удалось достичь. Теперь CMS в состоянии дать содержательную информацию во всем диапазоне энергий, где только может скрываться бозон Хиггса.

Потом я перехожу к рассказу о поисках в области больших масс. Сейчас мы можем уверенно утверждать, что между 150 и 600 ГэВ нет ничего похожего на бозон Хиггса.

Но если посмотреть на значения меньше 150 ГэВ, то там что‑то происходит. Мы не можем исключить присутствия бозона Хиггса при массах ниже 128 ГэВ, так как в этой области значений мы видим избыток событий в трех наиболее чувствительных каналах распада: бозон Хиггса – на два W-бозона, на два фотона и на четыре лептона. При массах близких 125 ГэВ мы видим явный пик, очень похожий на тот, который мы ожидали бы увидеть, если бы там появился бозон Хиггса. Статистическая значимость пика не так высока, чтобы можно было сказать: мы его поймали. Вероятность, что это просто фоновая флуктуация – один против ста, и она все еще слишком велика, чтобы делать объявление об открытии. И нам никак не удается в достаточной мере исключить такую возможность в наших данных.

После меня слово взяла Фабиола. Ее сообщение было сухим и коротким: “Мы видим то же самое”. Вот и все. Просто мороз по коже. Мы переглядываемся и не можем скрыть свои эмоции. Нам понятен смысл переживаемого момента. Мы оба уверены: это он. Мы знаем, что вероятность появления одинаковой злокачественной флуктуации в одной и той же точке, в одних и тех же каналах при высокой разрешающей способности исключительно мала.

Но если бы кто‑то сейчас, проходя мимо, взглянул на нас четверых, сидящих за столом в кабинете Рольфа, он вряд ли бы догадался, что речь идет об открытии века. Правда, глаза у нас сияют, но это единственное, что отличает нынешнее совещание от множества прочих.

Мы сосредоточенно обсуждаем возможную дату семинара, на котором будут сообщены наши результаты. Выбор падает на 13 декабря, вторник. Надо будет позвать прессу и позаботиться о том, чтобы все прошло скромно и сдержанно. Да, два эксперимента на LHC дали схожие результаты вблизи значения 125 ГэВ, но это еще не повод делать поспешные заявления. В последующие месяцы мы соберем больше данных; опасности, что мы пропустим этот сигнал, пока еще довольно слабый, нет; так что не будем пока на этом спекулировать.

Тут же было единогласно решено, что мы не станем объединять два наших результата. В 2012‑м оба эксперимента будут продолжать независимо работать по сбору данных, и к концу года мы объявим об открытии – тогда, когда в них обоих сигнал усилится до такой степени, что рассеются последние сомнения. Подобная стратегия убережет нас в случае развития событий по маловероятному, но все же возможному сценарию – что все то, что мы видим сегодня, всего лишь еще одна статистическая флуктуация.

После стольких лет бескомпромиссного состязания, гонки, в которой надо прийти первыми, и страха отстать мы осознаем, что достигнем финиша одновременно, словно два марафонца из одной команды.

Уже больше половины одиннадцатого. Наше заседание, начавшееся в девять утра, несколько затянулось, а у каждого из нас полно забот. Мы прощаемся и выходим из кабинета Рольфа, но, едва оказавшись за его порогом, мы с Фабиолой, мучимые любопытством, понимаем, что нам еще надо многое обсудить, и усаживаемся за маленький стеклянный столик на площадке перед лифтом. Теперь мы можем себе это себе позволить: много лет мы были корректны и дисциплинированно не говорили о служебных делах, но настал момент, когда можно выложить все карты. Остаток утра мы обсуждаем фильтры, использовавшиеся при отборе сигналов в наших двух экспериментах, результаты, полученные в различных каналах распада, и наиболее заметные из наблюдавшихся нами событий. Мы в прекрасном настроении, и проходящие мимо люди смотрят на нас удивленно, наверняка думая про себя: “Что такого интересного могут столь долго обсуждать спикеры CMS и ATLAS? И почему они такие веселые?” Что ж, скоро их любопытство будет удовлетворено.

В сердце ночи

Мы должны были объявить о том, что видели, спустя несколько дней, и это было тревожное время. Проверки продолжались; в коллаборации шли бурные споры. Я не мог рассказывать о том, что знал про ATLAS, так как было решено, что каждый из нас будет хранить молчание о результатах другого, – хотя бы просто потому, что эти результаты могли в любой момент измениться. Тесты повторялись, и если бы провалился хоть один из них, картина сразу бы принципиально поменялась.

У нас в CMS полно молодых исследователей, с восторгом относящихся к получаемым нами результатам, но за тем, что происходит вокруг бозона Хиггса, следят и более опытные физики. Как только появились первые намеки на успех, я поговорил с глазу на глаз с каждым из отцов-основателей эксперимента – и прежде всего с Мишелем Делла Негре и Джимом Вирди, – чтобы спросить их совета и разделить с ними ответственность. И я не только заручился уверенной поддержкой каждого из них, не только услышал много ободряющих слов, но и получил несколько очень дельных предложений о том, что делать дальше.

Это может показаться странным, но, когда я пригласил к дискуссии всю нашу коллаборацию, то сразу столкнулся с опасениями и серьезными возражениями. Известие о том, что наши результаты будут представлены публично, вызвало жаркие споры. Среди коллег оказалось немало тех, кто не в полной мере доверял этим результатам; были и такие, кто открыто подвергал их сомнению. В большинстве случаев этот скептицизм объяснялся вполне понятной осторожностью: сигналы были еще слишком слабыми; мы не знали точно, с чем именно столкнулись; а вдруг это снова какая‑то статистическая флуктуация… и я даже не мог рассказать, что и на ATLAS видят то же самое и что поэтому все выглядит значительно более убедительно. Но некоторые коллеги все еще пребывали в плену старых установок: “На 125 ГэВ нет никакого сигнала, это просто фоновый шум”, “Масса бозона Хиггса 115 ГэВ, мы его уже открыли на LEP. Это ложный сигнал”. Наконец, хватало и банальных проявлений мелкой зависти, и косых взглядов со стороны тех, кому не удалось справиться с собственным эго. Профессия ученого не спасает от человеческих слабостей. Кое-кто без обиняков говорил мне: “Я отдал бы двадцать лет жизни, лишь бы оказаться в такой момент на твоем месте”.

Чем ближе была назначенная дата семинара, тем больше людей появлялось в моем кабинете со словами: “Надо дать задний ход. Ты подвергаешь CMS огромному риску”, “В данных нет ничего, что указывало бы на присутствие бозона Хиггса”, “Ты берешь на себя огромную ответственность, демонстрируя публике эти данные как доказательство открытия. Тебе придется расплачиваться за последствия”. Я понимал, что если все лопнет, как мыльный пузырь, то многие накинутся на меня – и я один буду во всем виноват; и наоборот: если дело таки завершится открытием бозона Хиггса, то мои нынешние критики сделают все, чтобы на финише выглядеть главными. Таковы уж условия игры, и кому как не нам, спикерам, знать их лучше других.

До семинара оставалось чуть больше недели, когда меня посреди ночи поднял телефонный звонок. Нет, не из Р5, детка той ночью спала спокойно. Звонок был из Италии, из города Специя: моего отца только что увезла скорая помощь. “С папой плохо, – сказал я проснувшейся и тут же примчавшейся ко мне Лучане. – Я должен ехать”. Она сразу ответила: “Я с тобой!” Мы выпили по чашке крепкого кофе, и я успел еще написать мейл Кристи и Натали, моим секретаршам. “Мой отец в операционной. Еду к нему”. Надо еще предупредить Остина, Альберта и Джо. Альберт де Рук и Джо Инкандела – мои заместители, и в мое отсутствие они берут руководство коллаборацией на себя, а Остин Бол – технический директор детектора. Всех их я прошу не слишком распространяться о моем отъезде, чтобы не создавать еще один источник неуверенности: ситуация и без того довольно напряженная.

Мы выехали в Специю среди ночи, кинув в сумку минимум вещей. Впереди было пятьсот километров пути; BMW 520d мчался по автостраде в сторону Монблана; мы уже подъезжали к тоннелю. Я знаю тут каждый поворот, каждый вираж, расположение каждой камеры. До нашего переезда в Женеву мне приходилось мотаться туда из Пизы по несколько раз в месяц – иногда на самолете, но чаще на машине; короче говоря, я, кажется, мог бы проделать этот путь с закрытыми глазами. И, должен признаться, что на многих его участках я зачастую игнорирую знаки, ограничивающие скорость.

Знакомый вид заводских труб промышленной зоны предупредил нас о приближении к цели. Торговый порт и металлургические предприятия смотрят на восхитительный залив, когда‑то очаровавший лорда Байрона и все еще сохраняющий свою красоту.

Запыхавшись, вбегаем в больницу. Отец жив, хотя и в искусственной коме. Хирурги еще здесь – терпеливо отвечают на все мои вопросы и в подробностях рассказывают об операции. Но их глаза, когда я интересуюсь прогнозом, не оставляют мне надежды. Отцу восемьдесят шесть лет, и он еще в хорошей физической форме. Он всегда активно занимался спортом и привык каждое утро, на рассвете, пробегать по шесть километров. Он участвовал во многих марафонах, выигрывая призы и медали, которыми награждали самых возрастных участников. Однако инфаркт обширный и врачи настроены пессимистично. Мы должны готовиться к худшему – это вопрос нескольких дней, может быть, недели.

Меня проводили в отделение реанимации, и я подошел к кровати. Отец, всегда такой улыбчивый и ироничный, с которым я всего несколько часов назад говорил по скайпу, пребывал сейчас где‑то между жизнью и смертью. Он был подключен к ИВЛ и к монитору, контролировавшему его жизненные функции. Болезнь лишила его сил, и при виде того, в каком он состоянии, у меня защемило сердце.

Врачи предупредили, что он не может ни слышать, ни понимать моих слов. Но я все равно взял его за руку, погладил по лбу и стал объяснять, что с ним произошло и почему он здесь, пересказывая все, что говорили мне врачи. Я сказал ему, что теперь я с ним и он в хороших руках. Напомнил, что у Диего, моего сына, совсем скоро родится ребенок, – мой внук. Диего тоже физик, и он сейчас в Чикаго. В его семье все хорошо, роды должны быть со дня на день. Потом стал рассказывать о событиях в ЦЕРН и о бозоне Хиггса. Я говорил ему о некоторых подробностях нашего открытия и о том, что, хотя мы скоро сообщим о нем публично, он первый – если не считать очень немногих моих сотрудников, – кто об этом слышит. И в течение нескольких минут между нами существовал контакт, вопреки тому, что говорили врачи. Тебе холодно? – он отрицательно качнул головой. Ты меня узнаешь? – он кивнул, и в его глазах читались нежность и покой. Так продолжалось недолго, вскоре он снова заснул. Всего через несколько дней он умрет, и это маленькое чудо больше не повторится.

Сенсационное сообщение

До семинара оставалось совсем немного времени; CMS работал; напряжение продолжало нарастать. Я разрывался между последними проверками данных и попытками убедить немалое количество тех, кто по‑прежнему сохранял скептическое отношение к обоснованности наших результатов. Каждые двое суток я по ночам торопился в Специю, чтобы хотя бы пару часов посидеть рядом с отцом, а потом поспешно возвращался в Женеву.

Молодежь, трудившаяся в аналитических группах, пошла, что называется, вразнос. Мы призвали юное поколение без стеснения выдвигать новые идеи, и эта инициатива тут же принесла свои плоды. Некоторые принялись развивать многомерный анализ распада бозона Хиггса на два фотона. Времени на проверку всех предложений у нас не хватало, но мне было важно понимать, что в принципе происходит. Этот вид анализа исключительно чувствителен, однако наблюдаемый нами избыток таких событий мог и исчезнуть. Он же, напротив, не только сохранялся, но и усиливался, хотя и незначительно.

Получив результаты последних калибровок калориметра, мы смогли вздохнуть с облегчением. Мы шли на определенный риск, когда решили использовать новые калибровочные константы. Это делалось вслепую, и при исчезновении избытка событий в канале с двумя фотонами все бы наши надежды рухнули. Но и в этом случае сигнал тоже выживал. Кроме того, одна группа из Рима, основываясь на небольшом количестве полученных нами данных, взялась изучать канал, который никто не считал реалистичным. И результаты, вопреки ожиданиям, оказались потрясающими. Исследователи искали события, в которых распад бозона Хиггса на два фотона сопровождается двумя высокоэнергетическими струями, излучаемыми под малыми углами. Это был фирменный знак бозона Хиггса, рожденного при аннигиляции пары W– или Z-бозонов. Сигнал в этом канале значительно более редок, чем в традиционном канале образования бозона Хиггса из слияния двух глюонов, и многие полагали такой анализ бесполезной тратой сил. Но ребята из Рима сделали отличную работу и нашли метод правильной фильтровки нужных событий; у них тоже сигнал оказался на уровне 125 ГэВ. Когда мы, по моему настоянию, обсуждали эту работу в нашей коллаборации, возбуждение выросло до небес. Результат был слишком предварительным и вполне мог оказаться ошибочным; времени детально проверять весь анализ ни у кого не было – ведь до семинара оставалось всего несколько дней. Возражения были исключительно обоснованными, и в итоге мы решили не включать эту работу в наше официальное сообщение. Но для меня, человека, которому предстояло в будущую среду выступать от лица CMS и сообщать его результаты, узнать, что и в этом новом исследовании есть такой же сигнал, было все равно что оформить полис на страхование жизни.

В воскресенье 11 декабря я готовился к выступлению и потому оставался дома: до семинара было всего два дня, и на завтра планировался финальный прогон. На собрание приглашали CMS в полном составе; те, кто был не в ЦЕРН, подключались к видеоконференции изо всех уголков мира. Завтра я буду обращаться словно бы не к своим коллегам, а к тому научному сообществу, которое услышит меня в среду. После моего выступления сотрудники CMS начнут комментировать его, задавать вопросы, критиковать даже самые крохотные несоответствия и каждую не до конца понятную фразу и вникать в каждую мелочь в тексте или в иллюстрациях.

Около полудня мне позвонили из больницы и сказали, что папы не стало. Целых шесть дней после тяжелого инфаркта его сильный организм боролся за жизнь, но потом все же сдался. Врачи давали точный прогноз.

Я отложил телефон и обнял Лучану. Потом позвонил Джулии и Диего. На этой неделе мы созванивались каждый день, чтобы вместе переживать это печальное время, делиться новостями о состоянии дедушки и обсуждать подробности визитов в больницу. Телефон был бессилен сократить разделявшее нас расстояние, поэтому мы пользовались скайпом – чтобы иметь возможность смотреть друг другу в глаза, как если бы мы сидели за одним столом. И в то воскресенье мы вместе оплакивали кончину главы нашего рода, исполняя старинный обряд поминовения, чтобы совладать со скорбью и забыть о километрах, разделявших нас и не позволявших обняться.

…Генеральная репетиция семинара в чем‑то оказалась сродни катастрофе. И дело было отнюдь не в содержании моего выступления, прошедшем в основном хорошо. Всех поразило настроение, с которым я рассказывал о проделанной нами колоссальной работе, поразили мой потерянный вид и язык тела, выдававший внутренние страдания. Я понял это по выражениям лиц присутствующих. В сотнях смотревших на меня глаз читался вопрос: “Что случилось с нашим обычно напористым и при этом спокойным спикером? Он совсем не такой, каким мы знали его все эти годы! Что происходит с Гвидо, почему он говорит обо всем так бесстрастно и малоубедительно, с потерянным видом, практически отстраненно, как будто тема семинара его не касается?”

Я выслушал все замечания, которые мне были сделаны, и обещал принять их к сведению. Но когда все закончилось и остались только свои, я заметил сомнение и страх во взглядах тех, кто подбадривал меня и хлопал по плечу. Пройдет еще один день – и все узнают, что произошло. Пока же мне нужно было сделать одно остававшееся у меня важное дело: позвонить перед семинаром Франсуа Англеру. Я обещал ему это еще в сентябре, когда мы виделись с ним в Брюсселе и он оставил мне свой номер телефона. “Ты должен пообещать, что дашь знать, как только появятся первые признаки бозона”, – сказал он. Я согласился: “Хорошо. Но ты взамен должен пообещать, что пригласишь меня в Стокгольм, когда будешь получать Нобелевскую премию”. Договор был скреплен крепким рукопожатием и теплыми улыбками. Разговор с Франсуа длился добрых полчаса; он, как и всегда, говорил весело и отрывисто, он был вне себя от радости и хотел знать все подробности. Я объяснил ему, что буду очень аккуратен и что на семинаре не прозвучит никакого формального объявления. Однако нам уже все предельно ясно и, как только сбор данных завершится, мы расскажем об открытии. “Не планируй ничего важного на первую неделю июля”, – сказал я на прощание. Но Франсуа, оказывается, уже запланировал на это время поездку в Штаты с женой. Я настойчиво попросил его все отменить: “Ты не можешь позволить себе быть в США, когда мы объявим об открытии!”

Потом у меня состоялся – куда менее эмоциональный и куда более короткий – разговор с Питером Хиггсом. Но прежде мне пришлось целых три дня обзванивать наших с ним общих друзей, чтобы его нашли и уговорили снять трубку: он редко пользовался телефоном и не отвечал ни на чьи звонки. Питер попросил меня рассказать, что происходит в ЦЕРН, и выслушал, не перебивая. Когда я дошел до сообщения, что у нас есть первые ясные указания на то, что, по всей вероятности, бозон пойман на массе в 125 ГэВ, и что он, Питер, должен быть в 2012 году готов к бурным событиям, его ответ состоял всего из семи букв: Oh my god[43]. Потом он меня поздравил и поблагодарил, но мне показалось, будто он скорее встревожился в ожидании того шквала внимания, который наверняка на него обрушится, чем почувствовал удовлетворение от того, что в 1964 году интуиция его не обманула.

То, что сегодняшнее событие будет из ряда вон выходящим, стало ясно с самого утра. Семинар был назначен на 14.00. Двери аудитории открылись в 8.30, и уже через несколько минут там не осталось свободных мест – за исключением первых рядов, где были разложены таблички с именами приглашенных. Предполагалась прямая трансляция семинара, и ожидалось, что за происходящим будут следить тысячи ученых во всем мире. Для сотен коллег, рассеянных по разным часовым поясам и желавших выслушать наши презентации, указывалось соответствующее время начала трансляции: 6 утра в Сан-Франциско, 11 вечера в Токио и полночь в Мельбурне. В Женеве уже появились команды телевизионщиков и сотни журналистов. Исключительность события подчеркивало то обстоятельство, что председательствовать на семинаре будет сам Рольф Хойер: беспрецедентный факт в истории ЦЕРН.

Повестка сложилась следующая: первым будет выступать ATLAS – мы кидали монетку, и выпало им. Фабиола держалась спокойно и уверенно, но ее взгляд выдавал усталость и дефицит сна. Лишь потом я узнаю, что она провела ночь в отделении скорой стоматологической помощи, безумно страдая от боли, вызванной воспалением надкостницы, избавиться от которой она смогла только после хирургического вмешательства. Ей стоило немалого труда убедить медиков накачать ее анальгетиками и отпустить. Мы с ней изрядно измучены, но по нашему виду этого вроде бы не скажешь. С утра вся та тревога, что сопровождала меня всю неделю и к которой позднее примешалась тоска из‑за смерти отца, вдруг испарилась. Накануне я лег поздно: напряженно работал над презентацией, систематизируя материал и редактируя слайды. Спал мало и закончил подготовку утром, едва проснувшись. И после этого ко мне вдруг пришло столь редкое в последнее время состояние покоя. Я легко шагал на работу и улыбался всем встречным. Знал, что все пройдет хорошо. Был в этом уверен.

В оглушительной тишине Фабиола подробно рассказывала об исследованиях, проведенных для точной настройки всех используемых инструментов: о калибровке калориметра, юстировке мюонной системы, анализе фоновых реакций. Потом она сконцентрировалась на трех наиболее важных направлениях исследований при небольших значениях массы. Показала избыток событий, который они обнаружили в канале распада на два W-бозона, продемонстрировала небольшие возмущения на 125 ГэВ в распадах бозона Хиггса на два фотона и горстку событий с четырьмя лептонами, сгрудившимися вблизи той же точки. И вот ее вывод: собрав вместе информацию по всем трем каналам, мы получаем явственный пик вблизи массы 126 ГэВ. Он пока слишком слаб, чтобы говорить об открытии, но уже слишком силен, чтобы можно было рассматривать его как следствие банальной статистической флуктуации. Заключение осторожное, однако бурные, дружные аплодисменты в конце ее выступления явно свидетельствуют о том, что собравшиеся полагают цель достигнутой.

Теперь моя очередь. Я начинаю в атмосфере напряженного ожидания. Чувствую, что слушатели оценивают в моей речи каждую запятую. Показываю, один за другим, все каналы распада, которые мы изучили. Это значительно больше, чем то, что показал ATLAS. Показываю, что при больших массах ничего нет, – теперь мы в этом уверены. В области значений ниже 150 ГэВ начинаю с фермионных каналов – когда бозон Хиггса распадается на пару b-кварков и пару тау-лептонов. Это один из самых сложных для исследования каналов среди тех, с которыми нам и коллегам из ATLAS приходилось иметь дело. В течение последних недель мы ценой сверхчеловеческих усилий смогли завершить анализ и обнаружить и тут тоже некоторые признаки бозона Хиггса. Я говорю спокойно и уверенно, оглядывая присутствующих и невольно отмечая сияющую в глазах молодых ученых CMS, сидящих в задних рядах, гордость за свой эксперимент. Когда я показываю, что мы тоже видели избыток событий в трех ключевых каналах, – и прежде всего это относится к уровню 125 ГэВ при распаде на два фотона и четыре лептона, – то слышу, что по залу проходит какое‑то движение, как будто до этого момента никто не решался дышать. В заключительной части своего выступления я, точно опытный анатом, препарирую избыток, который мы только что зарегистрировали: и да, все, что мы видим, согласно интерпретируется как первый сигнал от бозона Хиггса. Тем не менее я осторожен: этот сигнал пока еще недостаточно сильный, чтобы позволить нам сделать окончательный вывод. Надо ждать новых данных, которые мы соберем в 2012 году.

Когда я закончил, зал взорвался бешеными аплодисментами, которые доносились буквально отовсюду и которые, казалось, никогда не стихнут. Всем было понятно: вероятность того, что два эксперимента видят в одной и той же точке одну и ту же статистическую флуктуацию, исключительно низка.

Прямая интернет-трансляция застопорилась в первые же минуты, так что далеко не все желающие смогли подключиться к стримингу, однако на семинаре присутствовало виртуально более 15 000 человек из самых разных стран.

Затем нам с Рольфом и Фабиолой предстояло ответить на вопросы журналистов, и для этого мы прошли в Filtration room[44]– так у нас называют зал для пресс-конференций на двести мест, который расположен в бывшем индустриальном здании, в свое время вмещавшем, в частности, гидротехнические установки системы водоснабжения; сейчас все тут напичкано телекамерами и рабочими станциями, позволяющими быстро передавать материалы в редакции. Журналисты хотели заставить нас воскликнуть: “Да, мы его поймали!” – и пропечатать это в газетах аршинными буквами. Но мы уже отлично научились обходить все расставленные ловушки. У нас есть интригующие указания на то, что вблизи массы в 125 ГэВ что‑то происходит, но пока еще рано делать выводы, надо подождать еще несколько месяцев, и тогда мы все узнаем.

Однако день пока не кончился. Скоро шесть вечера, и мы возвращаемся на шестой этаж главного здания, чтобы все в том же зале ответить на вопросы комитета, ведающего научной политикой ЦЕРН. И еще пару часов мы проводим в спорах с тремя десятками коллег-лучших физиков мира: они обжаривают нас со всех сторон, заваливают вопросами и хотят знать все тайные подробности относительно тех результатов, которые мы только что представили, но мы с Фабиолой не теряемся и держим удар.

Около восьми мы, страшно усталые, садимся вместе с Серджо в машину и едем в городок Эвиан-ле-Бен, где нас уже ждут физики и инженеры LHC. Весь день мы ничего не ели и могли устоять на ногах только благодаря выбросам адреналина. Однако сейчас, в машине, голод атакует, так что мы жадно всматриваемся в созвездия пиццерий и тратторий, выстроившихся вдоль дороги, и мечтаем о тарелках с горячей пастой. Но пока нам все еще не до еды. В 65 километрах от ЦЕРН, в гостинице Эвиана, мы встречаемся со Стивом Майрсом, группа которого на протяжении всего этого необыкновенного года поддерживала ускоритель в настолько безукоризненном состоянии, что мы таки добились желаемого результата. Сейчас члены группы собрались на свое ежегодное выездное совещание: два дня вдали от рутинных дел – ради обмена опытом и обсуждения новых идей, касающихся ускорителя. Они ждали нас уже два часа, и мы не могли к ним не приехать. Давным-давно мы с Фабиолой решили, что, как бы ни трудно нам пришлось днем 13 декабря, вечер мы непременно проведем вместе. Стоило нам войти в зал, как все принялись аплодировать и хлопать нас по плечам; и хотя больше всего нам хотелось поскорее сесть за стол, мы были вынуждены согласиться на то, чтобы в сокращенном виде повторить недавно проведенный нами семинар. Мы могли отказать кому угодно другому – но не им. И вот, рискуя в любой момент лишиться сил, мы открыли свои ноутбуки и целый час давали объяснения и отвечали на вопросы. Когда нас наконец‑то повели ужинать, мы с Фабиолой, прежде чем сесть за стол, задержались на секунду, чтобы взглянуть друг другу в глаза и мысленно сказать: теперь все позади. День прошел удачно. Нам удалось сделать нечто великое, нечто такое, что наверняка нас переживет.

На море в Портовенере

На последний слайд своей презентации к семинару я поместил отличное фото улыбающегося отца. Я посвятил ему свое выступление, потому что знал, как бы он гордился мною, доведись ему присутствовать в зале. Он был на защите моей диссертации в Пизе в 1975‑м, и я до сих пор помню его счастливое лицо. Вот и теперь его глаза сияли бы от радости. И многие из тех коллег, что прислали мне поздравления, отметили мужество и силу воли, которые потребовались мне, чтобы справиться с болью в важнейший момент моей профессиональной жизни.

Через два дня после семинара я поехал в Специю на похороны. Свои пожелания по их поводу отец высказывал неоднократно: он хотел, чтобы его кремировали, а прах высыпали в море.

Отец любил море и привил эту любовь и мне, причем еще когда я был ребенком. Я никогда не забуду того восторга, который охватывал меня, когда я слышал отцовское: “Ну, поехали!” От галечного пляжа Монтероссо мы несколько часов плыли до Пунта-Меско – мыса, который отделяет национальный парк Чинкве-Терре от Леванто. Теперь‑то в этих местах полно туристов, они кишат здесь круглый год, а тогда вдоль побережья тянулись сонные городки, где жили рыбаки и прогуливались редкие отдыхающие.

В море мы с отцом, держась друг от друга примерно в десяти метрах, плыли, дыша через трубку и размеренно работая ластами, и разглядывали через стекло маски плоское каменное дно. Тамошние осьминоги внимательно смотрели на нас, желая убедиться, что мы не опасны. Я и сейчас помню физическое ощущение радости и силы, которые давали мне эти долгие заплывы.

…Пришлось обращаться в муниципалитет за ворохом разных справок. Как оказалось, развеять над морем прах умершего не так‑то просто: для этого требуются разнообразные разрешения, и не факт, что просьбу все же удовлетворят. В конце концов я прекратил борьбу – и понял, что мне надо сделать.

Забрав урну с прахом отца, я по идее должен был везти ее на кладбище, чтобы захоронить там в земле. Но для осуществления задуманного мне не требовалось много времени. Я отправился в Портовенере – истинную жемчужину наших мест, прелестную деревеньку, ограничивающую с севера бухту Специи. Стоял ясный декабрьский день; на фоне кипенно-белых Апуанских Альп и их снежных шапок ярко выделялись разноцветные домики. Прямо передо мной лежал остров Пальмария. Наверху, на склоне, виднелась церковка святого Петра. Отец наверняка был бы доволен и временем, и местом, что я выбрал для его упокоения. Именно здесь любил он нырять каждое лето.

Жизнь частенько играет нашими эмоциями. Всего через четыре дня после семинара по ту сторону Атлантики, в Чикаго, родился малыш, которого Диего, храня связь поколений, решил назвать в честь дедушки Джулиано.

Вслепую

Вскоре слух о семинаре распространился по всему свету. Сотни газет и телепередач сообщили, что в ЦЕРН продолжают загонять бозон Хиггса в угол и что около 125 ГэВ “что‑то шевелится”. Мы были предельно осторожны, взвешивали каждое слово и обходились нейтральными фразами, но наиболее искушенные из наблюдателей прекрасно понимали, чего следует ожидать.

Слухи, что в обоих экспериментах видели какие‑то события вблизи 125 ГэВ, появились еще до официального сообщения. И некоторые теоретики бросились наперебой писать статьи о том, что будто бы они не только предсказывали бозон Хиггса именно с такой массой, но даже прилагали усилия к тому, чтобы их предсказание было опубликовано до 13 декабря. Другие же пустились рассуждать о значении этого открытия для суперсимметрии и о возможных его связях с инфляцией и стабильностью вакуума. А третьи, вроде Джона Эллиса, сразу после семинара по своей личной инициативе объединили результаты двух наших экспериментов; полученный широко разошедшийся график не оставлял места для сомнений. Статьи, в которых были опубликованы представленные на семинаре данные, набирали сотни цитирований.

Ясный и отчетливый сигнал добрался даже до самых верхних этажей мировой политики. 15 декабря, спустя два дня после нашего семинара, премьер-министр Японии Ёсихико Нода, выступая на объединенном физическом симпозиуме в Токио, объявил, что его страна готова взяться за строительство нового коллайдера стоимостью в 7–8 млрд долларов. Он будет называться ILC и станет самым большим в мире линейным ускорителем – настоящей фабрикой бозонов Хиггса, машиной, позволяющей изучать во всех деталях особенности нового бозона, пока еще только промелькнувшего в экспериментах ЦЕРН.

Тем временем мы готовились к новому циклу сбора данных. Наша стратегия была абсолютно четкой: во избежание любой предвзятости каждый из двух экспериментов должен проводить свой анализ вслепую. Поначалу никто не должен видеть, что происходит вблизи 125 ГэВ, где, как мы подозреваем, прячется бозон Хиггса. Когда все необходимые процедуры этого нового цикла будут завершены, шкатулку со всеми новыми данными в некий заранее условленный момент откроют – и мы посмотрим, окажутся ли в данных 2012 года те же самые сигналы, о которых мы сообщали в 2011‑м. Такой момент, по решению обоих экспериментов, должен был наступить в середине июня. С первого января экспериментом начал руководить Джо Инкандела, заменивший меня на посту главы CMS. Состав уже разогнался, но опасность резкого торможения – из‑за непредвиденного препятствия или организационного промаха – все еще существовала. Напряжение не спадало.

Во время встречи в Шамони в феврале 2012 года Стив Майрс принял предложение повысить энергию до 8 ТэВ. Опыт 2011‑го дал основания больше доверять надежности конструкции. Можно было попытаться склонить Стива и на большую светимость, рискуя, однако, получить и новый рост pile-up данных. Увеличение энергии всех радовало, потому что оно означало большее число рождающихся бозонов Хиггса, но вместе с тем новый рост числа взаимодействий несколько пугал. Получалось бы в среднем по двадцать столкновений на каждое пересечение пучков с пиковым значением в сорок столкновений. Справятся ли детекторы, удержат ли они этот ад? Сохранятся ли при этом следы бозона Хиггса, в частности – наиболее критические? В итоге мы решились, но при условии, что и в этот раз начнем все сначала. Будут перестроены алгоритмы триггера, будут проведены численные симуляции миллиардов событий с новой энергией в 8 ТэВ, будут предложены новые методы борьбы с эффектом pile-up – при проведении наиболее чувствительного анализа. И на все про все – пара месяцев, так как в начале апреля стартует новый цикл столкновений на коллайдере.

Ежегодная встреча проходила в Ла-Тюиль в первых числах марта, и это была самая важная в ряду зимних конференций, организуемых на горнолыжных курортах Альп и Скалистых гор. В этом году она была целиком посвящена первым данным о возможном бозоне Хиггса. В сообществе продолжались активные обсуждения: многие уже уверились в том, что бозон Хиггса был нами открыт, но оставались и упрямые скептики. Близилось 4 июля, а я все еще встречал коллег, убежденных, что на 125 ГэВ у нас ничего не было. Я даже придумал стратагему для приведения таких людей в замешательство: предлагал заключить пари, и не на обычные двадцать долларов, а на крупную сумму. Я делал это со смехом, но хотел, чтобы всем вокруг казалось, будто я не шучу. У меня появился специальный блокнот, куда я заносил инициалы и размер ставки; потом я зачитывал эти суммы вслух: G. L. – 15 000, C. P. – 20 000 и так далее; некоторые при этом смертельно бледнели. Я, разумеется, никогда не требовал платы по этим ставкам; нет чтобы обогатиться!

В начале апреля, когда стартовал очередной цикл проверок, LHC работал безукоризненно. К середине июня у нас было еще 5 fb-1 новых данных. Все измерения были проведены, и оставалось только дождаться 15 июня – дня, когда мы решили на них посмотреть; две недели оставались “про запас” – на подготовку презентации к открытию 4 июля ICHEP, Международной конференции по физике высоких энергий. Эта конференция в 2012 году должна была состояться в австралийском Мельбурне.

И вот он, момент истины! Решение вести анализ вслепую было принято нами самостоятельно, в ходе долгих дискуссий в группах ATLAS и CMS. Преимущества и недостатки такой стратегии обсуждались на протяжении нескольких недель, но в конце концов на нее согласились все без исключения. Обе коллаборации отдавали себе отчет, сколь велика ставка в этой игре, и понимали преимущества самодисциплины. Потому‑то она никем и не нарушалась. Но накануне 15 июня аналитикам дали отмашку – и двадцать четыре часа на отработку их программ; они работали всю ночь, следя, чтобы не было сбоев, выдавая сотни графиков и готовя презентации, которые наутро мы начнем обсуждать.

Тот день выдался в Женеве жарким и душным. Такое тут редкость, но лето было необычным; нам даже пришлось оставить открытыми двери Filtration Room, где проходила наша встреча, поскольку в нее набилось множество людей, а кондиционер отсутствовал. Кресла были заняты в мгновение ока, так что публика расселась на полу. Еще несколько сотен желающих подключились к нам в режиме видеоконференции. Все ожидали чего‑то поразительного. Лично я ничуть не сомневался, что в данных что‑то да будет, но любопытство терзало меня не меньше, чем остальных.

За эти месяцы сигналы бозона Хиггса еще больше усилились. Кропотливая работа позволила убедить всех в том, что многомерный анализ можно использовать в самых разных областях; все аналитические группы двигались различными, но взаимодополняющими путями, и чувствительность везде возросла. Каким бы ни оказалось сегодняшнее заключение, результаты уже выглядели солидно.

Войдя в зал, я сразу понял, что неприятных сюрпризов не будет. Ребята, демонстрирующие результаты со своих ноутбуков, работали до последнего мгновения, готовя графики, и встретили меня широкими улыбками и похлопываниями по плечу. Кое-кто уже даже рвался со мной фотографироваться. Желая разрядить напряженную обстановку, Альберт де Рук явился в черной маске для сна (вроде тех, что раздают в самолетах, чтобы спать во время межконтинентальных перелетов), и всех это развеселило.

Вскоре начались презентации; их делали самые молодые участники эксперимента, среди которых было много девушек.

Результаты по распаду бозона Хиггса на пару W-бозонов были убедительными. Их представлял юноша-итальянец, который теперь работал с Вивеком Шарма в Калифорнии. Явный избыток событий по всей области небольших значений массы. Само по себе это хорошо, но все понимают, что вне связи с другими этот результат ничего не решает.

Когда дело дошло до распада бозона на два фотона, все в зале затаили дыхание; представлявшая работу китайская студентка из MIT была спокойна и решительна; она демонстрировала результаты, сохраняя определенную интригу, словно на телевизионном шоу: “Вот результаты 2011 года” – и она показала пик на значении 125 ГэВ. “А теперь вы хотите видеть данные 2012‑го, верно? Давайте считать вместе: три, два, один, пуск…” – и она продемонстрировала график 2012 года с явственным пиком на том же самом месте. Складывая вместе оба результата, можно было показать, что вероятность получить такой пик из‑за статистической флуктуации не превышала одной стотысячной.

Далее последовал распад бозона Хиггса на четыре лептона; результаты представляла молодая итальянка. Здесь тоже в 2012 году наблюдалось сгущение событий в той же самой области, вблизи 125 ГэВ, в которой мы регистрировали их избыток в 2011‑м. Но сейчас вероятность того, что речь идет о статистической флуктуации фоновых событий, только для этого канала снизилась до одной десятитысячной. Нет необходимости что‑то к этому добавлять. Теперь мы все хорошо знали, что, объединяя данные анализа событий только в трех основных каналах распада, мы увидим, что эта вероятность упадет до одной миллионной, – таким образом, мы достигли уровня достоверности, при котором можно объявлять об открытии.

Результаты сообщили Рольфу и Серджо. Оставалось еще сделать бесконечное число проверок и уточнений, а главное – узнать, что происходит на ATLAS; с CMS все уже было ясно.

После той пятницы середины июня скептики затихли: все понимали, что именно у нас происходит. Люди из CMS то и дело появлялись в нашем кафетерии с сияющими глазами, ослепительными улыбками и в очевидно хорошем настроении. Но вот из ATLAS сведения приходили более противоречивые. По слухам, бродившим по коридорам, там тоже был сильный сигнал бозона Хиггса в канале с двумя фотонами, однако событий с четырьмя лептонами, зарегистрированных более чем в половине собранной статистики, было пока слишком мало. Этот важный канал распада не давал того, чего от него ожидали, и в ATLAS начал расползаться страх, что CMS может самостоятельно объявить об открытии, оставив им лишь возможность подтвердить его своим более скромным и менее убедительным сигналом. В CMS склонялись к тому, чтобы представить результаты на специальном семинаре перед поездкой на ICHEP, как это было в декабре. Но ATLAS упирался и тормозил; в конце концов 22 июня Рольф таки назначил дату проведения семинара. Совет ЦЕРН, которого беспокоила некоторая неопределенность относительно результатов, тоже настаивал, чтобы результаты были публично представлены до поездки в Мельбурн. И было выбрано 4 июля – последний день, когда можно будет вылететь в Австралию без страха опоздать. Семинар должен был начаться в 9 утра – с тем, чтобы приехавшие на открытие конференции могли присутствовать на нем онлайн.

Но неопределенность все еще оставалась, и никто даже в CMS не хотел обсуждать открытие.

Несколько дней спустя в ATLAS наконец вздохнули с облегчением. Как это нередко происходит, статистика решила позлить всех нетерпеливых. При анализе последней порции данных вдруг появились те самые драгоценные события, которых так давно ожидали. Отчетливая группка событий в канале с четырьмя лептонами, сгрудившимися вокруг точки 125 ГэВ, вернула эксперимент на прежние рельсы. Комбинация различных каналов, которую ATLAS провел 25 июня, позволила переступить порог, за которым стало можно говорить об открытии: крики радости, раздавшиеся из аудитории, где проходило совместное заседание двух коллабораций, были тому свидетельством. Ни у кого больше не оставалось сомнений, что семинар 4 июля войдет в историю.

День Хиггс-зависимости

Опыт семинара 13 декабря 2011 года оказался травмирующим для тех, кто не смог на него попасть, так что на этот раз уже накануне вечером желающие первыми проникнуть в зал устроили внизу своеобразный бивуак. Да я и сам сгорал от нетерпения в ожидании 4 июля – дня, которому суждено было стать историческим Днем Хиггс-зависимости[45].

Я был несколько раздражен тем коварным ударом, который попытался нанести нам кое‑кто из Тэватрона. Несколько дней назад эти ребята опубликовали статью, в которой пробовали доказать, что видели бозон Хиггса первыми. Прочитав ее, я понял, что она не содержит ничего нового. Исследуя канал распада бозона Хиггса на две струи b-кварков, они зарегистрировали избыток событий на всем интервале масс от 115 до 145 ГэВ, указывающий на возможность новой частицы в этом диапазоне. Все очень просто. Они уже с декабря знали, что у нас есть избыток событий на уровне 125 ГэВ, были в курсе всего, что происходило в ЦЕРН все последующие месяцы, и упорно искали случая как‑то нас уколоть. Это был подловатый трюк, рассчитанный на то, чтобы отвлечь внимание от сегодняшних событий и успеть запрыгнуть на колесницу победителя. Совершенно дурацкий поступок, который не мог иметь никаких последствий… хотя разозлил он многих, и меня в том числе.

В здание я вхожу в 7.30. Очередь уже змеится вдоль всей лестницы и даже через кафетерий на втором этаже; в ней стоят сотни человек. Только малая их часть попадет в аудиторию. Я иду мимо очереди, и мне кажется, что здесь вот-вот начнется рок-концерт. Вижу с десяток молодых сотрудников и сотрудниц CMS; они приветствуют меня либо рукопожатием, либо помахиванием пятерней. Когда я подхожу к лестнице, раздаются гром аплодисментов и крики, словно на стадионе, и я озираюсь по сторонам, не понимая, кому они адресованы; потом оглядываю улыбающихся присутствующих и догадываюсь, что причина во мне. Аплодируют все, включая сотрудников ATLAS и совсем незнакомых людей в очереди. Я благодарно и растроганно раскланиваюсь.

Все приглашенные уже на месте. Карло Руббиа, Лучано Майани и другие экс-генеральные директора ЦЕРН, а также Стив Майрс и Лин Эванс. Но главное, они – ребята из 64‑го. Мы обнялись с Франсуа Англером, едва он вошел, мы с ним шутили и веселились, но – ничего не могу с собой поделать! – галстук у него ужасен и совершенно не подходит к его черному пиджаку и красной рубашке в полоску. Он замечает мой изумленный взгляд и сразу пускается в объяснения: оказывается, чудовищные разноцветные кубики на рубашке – это элементарные частицы Стандартной модели, а галстук был ему подарен Герардом ‘т Хофтом, собственноручно его раскрасившим, и он дал Герарду обещание надеть этот галстук, если вдруг будет открыто то, что он называл “скаляром Стандартной модели”, – это был своеобразный эвфемизм, которым он пользовался, чтобы не называть имени своего старого соперника.

Когда появляется Питер Хиггс, аудитория уже заполнена, и раздавшиеся аплодисменты сопровождаются столь неистовыми воплями, что конца им, кажется, не будет. Зардевшись, Питер проходит к своему месту и благодарит провожавшего его студента застенчивой улыбкой и теплым рукопожатием.

На этот раз первый на очереди – CMS. Джо Инкандела показывает дюжину слайдов, демонстрируя во всех подробностях подготовку к проведению измерений, но до показа самих результатов добраться не успевает. Время, отведенное CMS, исчерпано. То с одной, то с другой стороны доносится легкий шум, но прервать его никто не решается. Результаты для канала распада бозона Хиггса на два фотона появились лишь на слайде номер сорок три. Определенная неоднозначность декабря превратилась теперь в явственный избыток: даже невооруженным глазом видно, что в окрестности 125 ГэВ что‑то происходит. Джо показывает результаты для распада бозона Хиггса на четыре лептона, и в аудитории воцаряется полная тишина. Затем очередь доходит и до распада на два W– бозона. Когда же он показал, что объединенный результат по всем этим каналам отделяет сигнал CMS от фона “на 5 сигм”, то есть признанный стандарт, который надо превысить, чтобы получить право произносить слово “открытие”, снова раздались долгие и громоподобные аплодисменты. Все радостно улыбаются, включая и самого Джо, испытывавшего явственное облегчение после всего того напряжения, которое цепко держало его до этого самого момента. Хотя презентация пока не окончена, все уже услышали то, что хотели услышать. Джо так и не произнес слова “открытие”, но смысл показанных им результатов и без того ясен. Аплодисменты, отметившие конец его выступления, звучали громко и убедительно.

Следом за ним на подиум поднялась Фабиола. Ее речь оказалась короткой: вступительная часть заняла двадцать минут, а затем она сразу перешла к результатам. Фабиола тоже начала с распада на два фотона, продемонстрировав совершенно явственный сигнал в этом канале, – такой сильный, что его одного хватило бы, дабы убедить любого скептика в том, что она имеет право произнести слова, на которые пока никто не решался: мы его открыли. И сигнал распада на четыре лептона был так же надежен и убедителен, как и полученный на CMS. Еще несколько минут потребовалось на объяснение избытка событий с двумя W-бозонами – и вот уже и заключение: в комбинированных данных сигнал отстоит от шума более чем на 5 сигм. Ее презентация пока не окончена, но публика взрывается аплодисментами; молодежь повскакивала с мест; многие размахивают руками, точно на стадионе.

Теперь взгляды направлены в ту часть аудитории, где – справа, чуть поодаль друг от друга – сидят Франсуа Англер и Питер Хиггс. Они оба очевидно взволнованы, Питеру даже приходится воспользоваться носовым платком, чтобы вытереть выступившие слезы. Несколько минут спустя Франсуа, получив слово, заговорит о Роберте Брауте, своем соратнике в различных начинаниях, о котором он всегда помнил и который скончался в 2011 году, так и не убедившись в своей правоте.

Питер не станет объяснять причин своего волнения, и все решат, будто он всплакнул от радости, но на самом деле он думал о любимой покойной жене Джоди и о той цене, которую ему пришлось заплатить за нынешний триумф.

В завершение семинара слово взял Рольф и наконец произнес то, что все присутствующие давно уже ждали: “Я думаю, нам всем все ясно. Вы согласны? Мы совершили открытие: наблюдалась новая элементарная частица с характеристиками, совпадающими с теми, что были предсказаны для бозона Хиггса”.

Более двадцати лет мы боролись за то, чтобы осуществилась наша мечта, и ради этого прошли через радости и беды. И когда уже стало казаться, будто все усилия пропали втуне, когда – после очередной бесплодной попытки – надежды упали до нуля, что‑то внезапно сдвинулось с мертвой точки и мы начали видеть какие‑то неожиданные явления… а потом заметили и первые признаки будущего открытия. Наконец все закрутилось с невероятной скоростью и – резко поменялось.

Прошло меньше семи месяцев с того момента, как появились первые скромные сигналы, – и вот уже весь мир празднует вместе с нами это новое великое открытие. Нам самим пока еще не верится, что мы его сделали: все происходило слишком быстро, и мы не успели пока убедить себя в его реальности. Но зато мы убеждены в его важности: теперь уже ничто не будет так, как раньше. Физика изменилась полностью и навсегда. Но в каком же направлении она двинется?

Глава 8

Тайна Вселенной

Мадонна и темная материя

Верделло (Бергамо),

29 октября 2012 г.

В пригородах Бергамо, вокруг промышленных зон Дальмине, царит урбанистический хаос. Автострады, торговые центры, производственные ангары и старые жилые районы чередуются и громоздятся друг на друге в невообразимом беспорядке: кажется, что местные власти соревнуются в том, кому из них удастся устроить у себя больший сумбур. В этом извращенном хитросплетении способно заблудиться не только человеческое существо – здесь сбивается с дороги даже спутниковый навигатор. Он старательно пытается убедить водителя повернуть направо, туда, где извивается канал, полный грязной воды.

После бесчисленных тупиков и пары разворотов я наконец добираюсь до полей фермы “Джермольо” в Верделло, цели моих поисков. Внезапно все вокруг делается красивым и каким‑то упорядоченным, словно я въехал на территорию одной из фабрик диснеевского мультфильма. Постриженные кусты и газоны, мирно пасущиеся коровы. Вот тут у них вольеры для кур и кроликов, вон там, за изгородью, – лошади. А еще есть ручной сокол, нарезающий сейчас высоко в небе широкие круги. Завидев нас, Пьеро Луккини подзывает его затейливым свистом, чтобы мы смогли им полюбоваться, и хищник быстро опускается на его правую руку, защищенную толстой кожаной перчаткой. “Джермольо” – это место для ретритов, где проходят лечение и реабилитацию люди, страдающие ментальными расстройствами, а Пьеро – здешний управляющий. В Бергамо его знают все. Благодаря ему тут появилось терапевтическое отделение, были построены дома семейного проживания для менее тяжелых пациентов и создана вот эта самая ферма, где десятки человек обучаются уходу за животными и работе в поле. На ферме делают вино, колбасы и сыр – все строго органическое; ее продукцию можно продегустировать в соседнем ресторане, предлагающем лучшую пасту в округе. Тут есть и театр – единственный в Италии, в котором совместно выступают профессиональные актеры, пациенты и дрессированные лошади; это производит очень сильное впечатление.

Требуется колоссальное мужество, чтобы руководить такой коммуной, ибо в итальянских бюрократических джунглях таится множество коварных ловушек. “Джермольо” получает небольшую государственную поддержку, но в основном существует благодаря частным пожертвованиям и помощи церкви. Пьеро Луккини – крутой парень, ему достает и храбрости, и упрямства – ровно тех качеств, которыми славятся уроженцы Бергамо. Немудрено, что среди 1 089 краснорубашечников, пошедших за Гарибальди, было 160 бергамцев: горячие головы, преимущественно заводские рабочие, пекари и сапожники, но еще и один адвокат и один цирюльник. Пьеро как‑то сказал мне: “Все знают, что в «Джермольо» живут психи, но мало кто знает, что главный псих тут – я”. Да уж, вряд ли можно назвать здравомыслящим человека, который поведет конную группу пациентов в Мантую, следуя по старому пути погонщиков мулов. Или усадит своих подопечных на велосипеды и отправится с ними в Рим; путешествие, полное приключений, продлится неделю и завершится встречей с папой.

Несколькими месяцами ранее Пьеро с группой врачей и пациентов побывал на экскурсии в ЦЕРН, и я пообещал ему навестить коммуну. Это была особенная экскурсия; широко распахнутые от удивления глаза при виде CMS и приглашение, полученное мною, когда мы прощались: “Было бы здорово продолжить наш разговор в «Джермольо»!” Я долго потом вспоминал Пьеро и вот наконец решил приехать к нему. Мне бывает хорошо с теми, кому приходится ежедневно вести собственную битву.

После посещения фермы состоялась встреча с пациентами и врачами. На меня обрушился вихрь вопросов о бозоне Хиггса, о происхождении Вселенной и о ее будущем. Мы сидели кружком в большом помещении. На измученных болезнью лицах читались любопытство и признательность. Когда мы все стали фотографироваться (я – как гость – в центре), я машинально положил руки на плечи юношам, что стояли по бокам от меня. И ладонями ощутил, как они задрожали от волнения. А под конец один из пациентов, не задававший никаких вопросов, но внимательно следивший за дискуссией, подошел ко мне и спросил тихо, чтобы больше никому не было слышно: “Вы, ученые, видите вокруг темную материю, которую никто, кроме вас, не видит, и все вам верят. А мне иногда случается поговорить с Девой Марией. Почему же мне никто не верит?”

А это точно бозон Хиггса?

Открытие новой элементарной частицы вызвало резонанс планетарного масштаба. Не было газеты, которая не написала бы об этом, а статьи, опубликованные командами ATLAS и CMS, немедленно набирали сотни цитирований. Но ЦЕРН, не вовлекаясь во всю эту суету, продолжал свою работу по уточнению и проверкам. Новый бозон найден, однако уверены ли мы, что это тот самый бозон?

Официальное объявление было сделано в самых сдержанных тонах: в нем говорилось о бозоне хиггсовского типа; то есть подразумевалось, что он очень похож на бозон Хиггса. Эта сдержанность была более чем оправданна. Напоминаю: у бозона Хиггса, как и у всякого другого бозона, целый спин. Но у этой столь разыскиваемой частицы спин должен быть равен нулю – это одна из принципиальных ее характеристик, выражаемых словом скалярная. Наши данные, собранные к июлю 2012 года, не позволяли определить спин частицы, и поэтому нам приходилось соблюдать осторожность. Если выяснится, что спин у нашей частицы 1 или даже 2, то нам придется иметь дело с каким‑то самозванцем, который, хотя и похож на бозон Хиггса, все же им не является. А до тех пор, пока спин не известен, мы не можем сказать ничего определенного.

Вдобавок была еще проблема потенциальных аномалий. Открытие осуществилось преимущественно при использовании бозонных каналов распада; ни ATLAS, ни CMS не показали каких‑либо убедительных признаков распада новой частицы на b-кварки или на тау-лептоны. И предстояло разобраться: мы не видели этих распадов, потому что так и не достигли нужной чувствительности, или же механизм образования массы у фермионов отличается от описанного Браутом, Англером и Хиггсом? Если верно второе, то нам придется принять во внимание гипотезу, что открытая частица отлична от бозона Хиггса, предсказываемого Стандартной моделью.

Наконец, многие эксперты обратили внимание на то, что оба эксперимента в канале распада на два фотона зарегистрировали значительно больше (примерно на 50 %) событий, чем предсказывает теория. Разумеется, аномалия такого рода может объясняться статистической случайностью, которая должна исчезнуть по мере накопления новых данных. Но этот тип реакций всегда был под особым наблюдением, потому что они очень чувствительны к присутствию Новой физики. Если тут задействованы какие‑то более массивные частицы, пока еще не открытые, их присутствие может обнаруживать себя косвенным образом, например, изменяя вероятность этого процесса.

Все это занимало очень многих, но с особенным трепетом следили за происходящим два пожилых господина – Питер Хиггс и Франсуа Англер. Оба прекрасно знали, что звонок из Стокгольма, которого они ждали так много лет, раздастся лишь после того, как ATLAS и CMS выскажутся совершенно определенно и вместо слов “хиггсовского типа”, использовавшихся в статьях и официальных сообщениях, появится единственное слово: “Хиггса”. То, к чему они интуитивно пришли в 64‑м, признают верным лишь в том случае, если частица, открытая в 2012‑м, будет обладать всеми теми характеристиками, которые предсказывала для бозона Хиггса Стандартная модель.

На протяжении всего года LHC продолжал сталкивать протоны с большой производительностью, и вскоре мы с запасом прошли рубеж в 20 fb-1. Теперь у нас было достаточно данных, чтобы приняться за проверки всех этих аномалий. Обладая данными, вчетверо превосходящими по объему данные на предыдущем цикле, мы получили сигнал значительно более сильный и значительно более ясный. Да и в каналах, где на момент открытия у нас было лишь по горстке событий, их в итоге накопилось достаточно, чтобы провести более подробные исследования и поискать возможные аномалии.

Прежде всего следовало сосредоточиться на измерении спина. Механизм тут прост и не раз использовался в прошлом. Для измерения этой характеристики у неустойчивой частицы, вроде бозона Хиггса, измеряется угловое распределение продуктов ее распада. Вид кривых, описывающих пространственное распределение электронов, мюонов и других частиц-осколков после распада материнской частицы, говорит о многом. Эти кривые будут принципиально различаться в зависимости от того, был ли у распавшейся материнской частицы спин 0, 1 или 2. И что же выяснилось? Из всех гипотез та, что новая частица была скалярной в соответствии с предсказанием теории Браута, Хиггса и Англера, значительно обгоняла в правдоподобии любую другую.

Затем начались измерения в каналах распада бозона на b-кварки и тау-лептоны. Пришлось использовать все собранные данные и значительно увеличить чувствительность их анализа, чтобы увидеть в этих столь важных каналах первые слабые признаки. Бозон Хиггса должен сцепляться с b-кварками и с тау-лептонами для придания им массы и потому с неизбежностью обязан распадаться на эти легкие частицы[46]. Не будь этого, под всю теорию оказалась бы заложена страшная бомба: пришлось бы допустить существование какой‑то другой частицы, отличной от бозона Хиггса, которая отвечала бы за появление массы у легких элементарных частиц. Для Стандартной модели в том виде, как она существовала, это означало бы полный крах.

Но в итоге зародившиеся было сомнения рассеялись. С появлением полной статистики и ATLAS, и CMS показали очевидные сигналы, что никаких аномалий в сцеплении бозона Хиггса с b-кварками и тау-лептонами нет. На графиках, обобщающих полученные результаты, появилась та самая впечатляющая пропорциональность констант связи массе, которую предсказывала теория 64‑го года.

Но зато возникло растущее напряжение из‑за парочки других проблем, разрешить которые удалось только после многих месяцев неистовой работы. На протяжении всего 2012 года ATLAS обращался к нам с вопросами относительно измерения массы бозона. В Стандартной модели масса бозона Хиггса – параметр исключительной важности, но он не определяется в самой теории и должен быть измерен экспериментально с максимальной возможной точностью. Для этого использовались два наиболее ясных канала распада, обеспечивающих максимальное разрешение: распад на два фотона и распад на два Z-бозона, которые, в свою очередь, распадаются на четыре лептона. Это два независимых эксперимента, но они должны давать согласующиеся значения. На CMS именно так и происходило, но на ATLAS получались два различающиеся между собой результата; такое в принципе возможно, но наблюдаемое расхождение более чем в 3 ГэВ между значением массы, полученным в канале распада на два фотона, и значением массы, полученным в канале распада на четыре лептона, представлялось чрезмерным. На ATLAS бросились искать объяснения, и некоторые теоретики всерьез принялись разрабатывать гипотезу, что в действительности был открыт “дублет” бозонов: две частицы с близкими массами, каждая из которых отличается от бозона Хиггса в Стандартной модели. Наконец, спустя месяцы внимательного изучения калибровок калориметра и бесконечных перепроверок инструментов анализа, разница между двумя значениями сократилась до 2,5 ГэВ, что уже больше походило на экспериментальную ошибку, – и дело отправили в архив.

В те же самые месяцы, когда на ATLAS воевали с разницей в значениях массы бозона, на CMS волновались по поводу распада на два фотона. По мере получения новых данных сигнал вдруг стал слабнуть, будто бы в новом цикле и не было его усиления и будто бы это вовсе не он был настолько силен, что мы приглашали его на сцену и в 2011‑м, и в 2012 годах. После первого недоумения решено было еще раз все проверить, чтобы отыскать причины возможной ошибки. Летом, например, интенсивность пучков в коллайдере снова стала расти, из‑за чего усиливался эффект pile-up, – а значит, мы могли потерять значительную долю данных о событиях с участием бозона Хиггса, которые надеялись получить после внесенных изменений. Пришлось в очередной раз начинать все сызнова, буквально с нуля. Наконец, после восьми месяцев гонки и проведения аккуратных измерений, стало ясно, что это никакая не аномалия, а статистическая флуктуация. В первых 10 fb-1 (до середины 2012 года) мы наблюдали позитивную флуктуацию – то есть бозоны Хиггса появлялись чаще, чем можно было ожидать; а в следующих 10 fb-1 (во второй половине года) флуктуация была отрицательная, и сигнал становился слабее. При учете всех данных сигнал оказался точно соответствующим предсказаниям Стандартной модели. Ожидания, что в распаде на два фотона прячутся первые признаки Новой физики, на тот момент не подтвердились.

Когда в начале 2013 года мы наконец сочли возможным выступить с заявлением о том, что новая частица – скаляр и по всем своим характеристикам точно соответствует бозону Хиггса, больше других обрадовались этому как раз те двое наших немолодых коллег, которые с особым трепетом следили за всеми фазами финального анализа. Теперь ни у кого не оставалось сомнений: их предсказания были абсолютно точны.

Год элегантных нарядов

Присуждение Нобелевских премий – процедура довольно сложная, но имеющая четкие рамки. Победителей чаще всего объявляют во вторую неделю октября, а сама церемония награждения и вручения медалей проходит в Стокгольме 10 декабря, в годовщину смерти Альфреда Нобеля.

Механизм запускается годом ранее, и начинается все со сбора номинаций кандидатов. Осенью некоторое число (год на год не приходится, но обычно их около тысячи) ученых с мировым именем получает письмо от Шведской академии наук. В нем предлагается до конца января выдвинуть одного или нескольких номинантов – в соответствии с приложенной инструкцией. В феврале этот длинный список начинает рассматривать небольшая группа ученых, назначенная Академией; им предстоит сократить его до нескольких имен. Решения, которые будут приняты, во многом зависят от мнений нобелевских лауреатов предыдущих лет, к которым члены этого маленького комитета обращаются за советами. Летом укороченный список основных претендентов бывает готов и начинается второй тур отбора: проведение конфиденциальных консультаций – с целью выяснения как окончательных точек зрения, так и имен тех, в отношении кого может быть использовано право вето. Эта фаза завершается формальным заседанием, на котором комитет излагает свое заключение. Такое заседание всегда назначается на начало октября, но теоретически (хотя этого никогда еще не было) может быть перенесено и на более поздний срок, если Академия вдруг не примет рекомендации комитета. Так или иначе, окончательное решение принимается на пленарном заседании Академии и сразу после этого обнародуется.

Осмотрительность Нобелевского комитета стала притчей во языцех: премию не дадут за результаты, которые не были многократно подтверждены, или за теории, которые не были проверены экспериментально. Именно поэтому Питеру Хиггсу и Франсуа Англеру пришлось ждать так долго. Но теперь всем было ясно, что их имена фигурируют в коротком списке фаворитов, хотя интрига, безусловно, сохранится до последней минуты. Прежде всего потому, что есть неформальное правило ротации областей знания, которые должны награждаться: физика частиц, астрофизика, физика твердого тела – с возможным включением каких‑то других ее разделов. Кроме того, надо всегда иметь в виду, что лауреатов не может быть больше трех. В действительности в завещании Альфреда Нобеля говорится о присуждении премии “тому человеку, который совершил важное открытие или сделал важное изобретение в области физики”[47], но с течением времени норма изменилась и стали награждать до трех лауреатов. Так что, помимо Хиггса и Англера, лауреатом мог стать и еще один ученый, работавший над теориями спонтанного нарушения электрослабой симметрии и ее механизмов.

Кое-кто даже допускал, что третья медаль может быть присуждена ЦЕРН. Правда, пришлось бы нарушить более чем столетнюю традицию, но ее ведь однажды уже нарушили, так почему бы не сделать это еще раз? Организация исследований пребывает в непрерывной эволюции, и должна же наконец Шведская королевская академия наук признать очевидный факт: если результат получен целой коллаборацией, в которой тысячи ученых, то выбрать для присуждения премии кого‑то одного очень сложно. И сейчас, возможно, самый подходящий случай, ибо открытие было сделано CMS и ATLAS благодаря высокой производительности LHC. Так почему бы не наградить премией всю эту международную организацию, сумевшую построить и скоординировать столь циклопическое предприятие?

В ЦЕРН многие поверили в реальность такой перспективы, а кое‑кто даже предпринял определенные шаги для оказания политического давления на наиболее известных членов Академии. Все эти маневры были неуклюжими, изначально обреченными на провал, но определенные надежды они, однако, породили.

8 октября 2013 года была среда, и мы все напряженно ожидали вестей. К 11 часам, когда должно было прозвучать вожделенное объявление, сотни наших сотрудников сгрудились вокруг экранов, подвешенных в разных частях лаборатории. Молодежь, как всегда, шутила: некоторые принесли с собой золотые шоколадные медальки, и одну такую мне даже повесили на шею, чтобы сделать фото. Как ни странно, сообщение о награжденных задерживалось, и поползли слухи, что это из‑за борьбы за третью медаль: мол, кто‑то предложил присудить ее ЦЕРН и началась перепалка. Наконец на экране показался спикер, и все смолкли; победителями стали Питер Хиггс и Франсуа Англер. Крики радости заполнили коридор, в потолок полетели пробки от шампанского, началось веселое празднование. Объявление меня не удивило: я знал, что так все и будет. Но когда спикер принялся читать мотивировочную часть, я разволновался: “…теория которых была подтверждена недавним открытием, совершенным в двух экспериментах на CMS и ATLAS, проведенных в ЦЕРН”. Когда я услышал эти слова о наших экспериментах, я понял, что сделанное нами вошло в историю.

На следующий день мне позвонил Франсуа Англер и, не слушая моих поздравлений, спросил: “Ты помнишь наш уговор? Готовься. В Стокгольм поедем вместе”. Так что этот год стал для нас годом элегантных нарядов. И в ЦЕРН, и в Пизе смеются, когда на страницах газет или на экранах телевизоров я появляюсь в официальном костюме, а не в привычных джинсах. Началось все со светло-синей тройки в сентябре 2012 года, когда президент Республики Джорджо Наполитано пригласил в Квиринальский дворец Серджо Бертолуччи и нас с Фабиолой, чтобы мы обратились по телевидению ко всем школьникам Италии.

Еще более элегантно пришлось одеться в апреле 2013 года, когда в Женеве нам вручали Премию по фундаментальной физике. Протокол предусматривал смокинг для мужчин и вечернее платье для женщин. Эта премия – одна из самых престижных в мире, и за открытие бозона Хиггса ее присудили “магической семерке”, как нас окрестила пресса. Лин Эванс, Джим Вирди, Фабиола Джанотти, Джо Инкандела, Петер Йенни, Мишель Делла Негра и я разделили между собой три миллиона долларов, которые российский миллиардер Юрий Мильнер, страстно увлеченный физикой, ежегодно вручает ученым за наиболее существенный вклад в фундаментальные исследования. Когда пришла телефонограмма с сообщением об этой премии, все подумали, что это какая‑то шутка. Я узнал об этом в Токио, где был на конференции. Мы ужинали в традиционном ресторане – одном из тех, где едят, сидя на полу с поджатыми ногами. Я вышел, чтобы никого не беспокоить, и мне понадобилось некоторое время на осознание того, что речь идет о чем‑то серьезном, так как Джо Инкандела, звонивший мне из ЦЕРН, непрерывно смеялся. Но потом мы оказались во Дворце конгрессов Женевы, а церемонию вел оскароносный Морган Фриман, и на ней предполагалось также награждение Стивена Хокинга, знаменитого физика из Кембриджа, уже много лет борющегося с тяжелой болезнью. А перед ее началом у нас был ужин в “Отель де Берг”, где, сидя рядом с Морганом Фриманом, одним из моих самых любимых актеров, я узнал, кроме всего прочего, что он искренне интересуется физикой; у нас с ним будет еще повод встретиться и провести вместе пару часов, обсуждая инфляцию, мультиверсум и экстраизмерения.

Во время церемонии перед нами сидело 500 приглашенных, и Фабиола в красном платье ярко выделялась на черно-белом фоне шестерых мужчин в смокингах. Мы видели среди тех, кто аплодировал в партере, знакомые лица. Это были молодые сотрудники двух наших экспериментов, люди, занимавшиеся связанными с бозоном измерениями. Здесь было много друзей, работавших с нами с самого первого дня, пионеров ATLAS и CMS, а также много физиков и инженеров, строивших и запускавших LHC. Единственное, что омрачало праздник, – среди награжденных не оказалось Стива Майрса. По каким‑то непостижимым причинам комитет, присуждавший премию, не счел его достойным. Я лично считаю это решение совершенно несправедливым.

Но верх элегантности был достигнут 10 декабря в Стокгольме, когда протокол требовал фрака, – по случаю вручения нобелевских премий и заключающего церемонию ужина в присутствии короля Швеции.

Как выяснилось, опасался я зря: портные Ганса Алльде прекрасно справились со своей задачей, и фрак сидел на мне как влитой. Наконец‑то я смог вздохнуть с облегчением. Когда мы встретились – я, Джим Вирди, Петер Йенни и Джо Инкандела, все как один похожие на пингвинов, – то разразились хохотом. Настроение у нас было прекрасное. Петер, обычно молчаливый и лаконичный, выказал себя блестящим спикером. На банкете он взял слово и был неотразим. А под конец, уже во время бала, завершающего вечер, он ходил по залам легкой походкой, шутил и похлопывал всех по плечу – просто удивительная случилась с человеком метаморфоза. На фотографии, оставшейся у меня с того вечера, мы стоим втроем: я – в центре, между ним и Франсуа, все трое немного хмельные; этот снимок – одно из самых дорогих для меня воспоминаний о том изумительном вечере.

У начала Вселенной

Открытие бозона Хиггса стало важной вехой в истории познания. Теперь мы можем точно реконструировать, что же произошло в первые мгновения после Большого взрыва, когда скалярное поле Хиггса заполнило всю Вселенную, проникая во все ее уголки, вплоть до самых далеких. Когда прошла лишь одна стомиллиардная доля секунды и началось то, что определит судьбу Вселенной, пока еще раскаленной, на миллиарды лет вперед.

Именно в этот момент бессчетное количество бозонов Хиггса, которые вот прямо только что еще двигались со скоростью света, вдруг конденсируется, образуя – отныне и навеки – вездесущее поле, поле Хиггса[48]. Электромагнитная сила, которая вплоть до сего момента выступала под ручку со слабой силой, расстается с нею навеки. Для фотонов, которые не взаимодействуют с полем Хиггса, ничего не меняется. А на W– и Z-бозоны поле, напротив, накидывает свою сеть, отчего они становятся такими тяжелыми, что не могут больше передавать слабые взаимодействия дальше, чем на внутриядерные расстояния. Наконец и элементарные частицы разделяются между собой – в зависимости от того, как они взаимодействуют с полем, – обретая через это безвозвратно различные массы.

Одно мгновение – и все поменялось навсегда.

Благодаря этому хитрому механизму материя обрела свойства, знакомые нам сегодня. Та масса, которую приобрели электроны, позволяет им размещаться на стабильных орбитах вокруг ядер, из‑за чего могут образовываться атомы и молекулы. Благодаря тому же механизму возникли огромные газовые туманности, из которых родились первые звезды, а потом галактики, планеты и звездные системы… постепенно дело доходит до живых организмов, которые становятся все более и более сложными, – и наконец появляемся и мы с вами. Без электрослабого вакуума, без этих стропил, на которых держится вся грандиозная материальная структура, которую мы называем Вселенной, всего перечисленного бы попросту не было.

Если бозон Хиггса, спустя миллиарды лет достойного служения, в какой‑то момент – завтра ли в 5.45 утра или на два миллиарда лет позже – ни с того ни с сего вдруг устанет либо сложит руки на груди и отправится бастовать, вся наша Вселенная превратится в один огромный огненный шар.

Открытие бозона Хиггса – это, безусловно, очередное достижение науки. Сегодня мы можем сказать, что начали понимать механизм нарушения электрослабой симметрии. Однако данный новый триумф Стандартной модели – триумф проблематический.

Мы уже знаем, что рано или поздно обязательно получим в свое распоряжение более общую теорию, которая будет не только объяснять материю в значительно более протяженном диапазоне энергий, но и включать в себя Стандартную модель в качестве частного случая. Мы знаем, что очень многое из того, в истинности чего мы уверены, не будет истинным при более высоких энергиях, недоступных нам сегодня. Стандартная модель лопнет, и обнаружатся новые фундаментальные взаимодействия или новые элементарные частицы, и будет объяснено пока еще необъясненное: инфляция, объединение с гравитацией, темная энергия.

Но в каком диапазоне энергий все это может случиться?

На этот вопрос, вновь приобретший актуальность, научная общественность ищет ответ уже много лет. Сейчас мы переживаем переломный момент научной революции, контуры которой станут ясны, возможно, лишь через несколько десятилетий.

Бозон Хиггса и Новая физика

Бозон Хиггса – совсем не такая частица, как все прочие. Давая массу всем другим частицам, связанное с ним поле взаимодействует и со всеми частицами, которые мы уже знаем, и со всеми другими, которые пока не открыты. Потому этот новичок сразу становится и новым инструментом исследования. Как если бы мы получили в свое распоряжение ультрачувствительную антенну, которая может дать нам кое‑какие знания даже о невидимых сторонах этого мира. Она получает сигналы, пусть слабые, но воспринимаемые, из самых темных уголков нашей Вселенной.

Вот почему, едва миновала эйфория от сделанного открытия, а элегантные наряды отправились в платяные шкафы, мы сразу вернулись к работе и стали искать ответы на длинный список вопросов. И прежде всего вот на какой: действительно ли пойманная нами частица одна-одинешенька, как ей и положено согласно Стандартной модели? Или ее окружают еще четыре компаньона, как следует из принципов суперсимметрии?

Под термином “суперсимметрия” вообще‑то скрывается обширное семейство теорий, хотя и сильно отличающихся друг от друга, но все же объединенных гипотезой, что существует специальное соотношение, которое каждому бозону, то есть частице с целым спином, ставит в соответствие фермион – частицу с дробным спином. Так что суперсимметрия сразу умножает на два число всех известных нам элементарных частиц. Для каждой должен быть суперпартнер со спином, отличающимся на 1/2.

В Стандартной модели фермионы – это частицы, из которых строится вещество, а взаимодействия в нем переносятся бозонами. В суперсимметричном мире все наоборот: частицы материи – с целым спином, а взаимодействия переносятся фермионами.

Этой симметрии надлежало быть точной сразу после Большого взрыва, но она должна была спонтанно нарушиться уже на одной из самых первых фаз развития Вселенной, в которой после этого нарушения нам осталась только обычная материя. Все суперсимметричные частицы, вероятно, исчезли – за единственным возможным исключением: нейтралино или каких‑то других нейтральных, стабильных и очень массивных частиц, участвующих только в слабых и гравитационных взаимодействиях. Возможно, именно из них и состоит темная материя. Отсутствие частиц суперматерии вокруг нас можно было бы объяснить тем, что суперсимметричные партнеры значительно более массивны, чем известные нам частицы. Но насколько именно они более массивны, нам знать не дано. Может быть, их масса – сотни ГэВ, а может быть, и несколько ТэВ или даже десятков ТэВ.

Если Сьюзи верна, то у нас уже есть по крайней мере один естественный кандидат в частицы темной материи – нейтралино. Но не только: присутствие суперсимметрии могло бы, по‑видимому, объединить все взаимодействия (кроме гравитации) в одну единую суперсилу, которая преобладала на ранних стадиях развития Вселенной, еще до конденсации хиггсовского поля. Нечего и говорить, что это было бы совершенно новое видение Вселенной.

Помимо прочего, Сьюзи предполагает, что у нас должно быть больше типов бозона Хиггса, которые, соответственно, образовывали бы целое семейство. Масса его самого легкого участника не должна превосходить 130 ГэВ, то есть он должен быть похож на бозон Хиггса в Стандартной модели – на тот, что мы наблюдали на LHC. Это наше открытие, кроме прочего, исключило те суперсимметричные модели, которые предполагают существование более легкого бозона Хиггса, с массой между 100 и 120 ГэВ. Многие из тех, где предполагалась масса около 125 ГэВ, выжили. Но чтобы доказать, что наблюдавшийся нами бозон – это в действительности супер-Хиггс, надо обнаружить либо кого‑то из его братьев в этом семействе, либо какие‑то аномалии в его взаимодействии с другими частицами.

С точки зрения квантовой теории, легкая скалярная частица вроде открытого нами бозона Хиггса – объект очень странный. Поскольку он предпочтительно взаимодействует с более тяжелыми частицами, у него привилегированная связь с топ-кварком. Так что мы можем представить его себе окутанным облаком топ-кварков, что должно, в теории, существенно отразиться на его массе. Выражаясь более точно, радиационные квантовые поправки к массе бозона неконтролируемым образом утяжеляют его до абсурдных значений, сильно превосходящих измеренные нами 125 ГэВ. Если же этого не происходит, то либо есть какой‑то неизвестный механизм, работающий ad hoc на то, чтобы защитить бозон от радиационных поправок, либо же для каждой поправки, утяжеляющей его, есть другая поправка, облегчающая его в той же самой пропорции. Эта вторая версия подтвердится, если окажется, что Сьюзи верна. У радиационных квантовых поправок к массе бозона Хиггса противоположные знаки для фермионов и бозонов, и поэтому для каждого положительного слагаемого, связанного с топ-кварком, должно быть и отрицательное, связанное с его суперпартнером, стоп-скварком. Тут стоит добавить, что в то время как постоянно окружающее бозон Хиггса облако частиц увеличивает его массу, облако их суперпартнеров, счастиц, уменьшает ее, и оба эти явления в точности компенсируют друг друга, так что масса бозона остается неизменной.

Резюмируя сказанное, можно утверждать, что присутствие суперсимметричных частиц представляло бы естественное объяснение, почему бозон Хиггса такой легкий, – и Сьюзи сохраняет свое очарование в том числе и по этой причине. Однако если этот гениальный механизм может работать, то и масса стоп-скварка не должна сильно отличаться от массы топ-кварка, равной примерно 173 ГэВ. И вот тут скрывается проблема: если стоп-скварки так легки, мы должны были бы видеть их в изрядных количествах. Но все предпринятые до сих пор попытки не дали никаких результатов, и мы теперь знаем, что если стоп-скварк и существует, его масса никак не может быть меньше 400–500 ГэВ.

И вообще – Сьюзи представляется чудотворной теорией, способной в одно касание решить любую из фундаментальных проблем современной физики (темная материя, великое объединение, загадка легкого бозона Хиггса), но и у нее есть слабое место: никому все еще не удалось найти ни одной из многочисленных частиц, предсказываемых этой теорией. При каждой попытке мы всего лишь получаем новый нижний предел для массы предполагаемой суперсимметричной частицы.

Если Сьюзи справедлива, то ее частицы должны быть очень тяжелыми, и, ввиду того, что нет никаких их следов, многие начинают думать, будто пора уже отказаться от исходного допущения. Но нет, пока это делать рано, и прежде всего потому, что в ближайшие годы у нас появится возможность систематически исследовать обширнейший диапазон энергий, в котором может скрываться множество сюрпризов.

Вот почему с открытием бозона Хиггса стали возникать все новые и новые области исследований.

С одной стороны, продолжается непосредственная охота за суперсимметричными частицами. Из-за возрастания рабочей энергии LHC, достигшей к 2015 году 13 ТэВ, есть шанс получить более массивные частицы, ускользавшие от исследователей при энергиях в 7–8 ТэВ. Теперь добавилось дополнительное ограничение, связанное с присутствием того самого объекта массой в 125 ГэВ. Мы уже знаем, что если не найдется стоп-скварков легче 2 ТэВ, то описанный выше механизм компенсаций, который казался таким элегантным и который позволял поддерживать Сьюзи ее sex appeal[49], ничем более оправдать будет нельзя и Сьюзи (или, во всяком случае, ее наиболее известный вариант) окажется в серьезном кризисе.

С другой стороны, братья бозона Хиггса разыскиваются в том же самом диапазоне, который уже внимательно исследовался в связи с поисками бозона Стандартной модели. Сделанного до сих пор пока недостаточно, так как идет поиск частиц со слишком различными характеристиками. У братьев бозона Хиггса другие каналы рождения и распада, и потому для их поиска нужны особые стратегии. К тому же тут потребуются значительные объемы данных, так как чем тяжелее частица, тем сложнее ее получить и тем реже она попадается.

Одновременно продолжаются исследования бозона Хиггса с массой 125 ГэВ. Стандартная модель предсказывает все ее характеристики с очень большой точностью. Все, что мы видели до сих пор, хорошо совпадает с предсказаниями, но наша точность ограничена небольшим количеством бозонов, которые нам удалось распознать. Во многих процессах распада погрешность наших измерений сильно превосходит 10 %. Она оставляет достаточно места для отличия истинных характеристик от измеренных, а аномалии, предсказываемые Сьюзи, проявятся в отклонениях всего на несколько процентных пунктов.

За прошедшие с момента открытия годы мы могли выделить на LHC десятки тысяч бозонов Хиггса, чтобы подробно изучать их свойства. Если бы мы заметили хоть какую‑то аномалию в них, мы бы получили непрямое указание на присутствие каких‑то новых частиц. У нас было бы научное доказательство существования Новой физики, и мы бы знали, при каких энергиях ее надо искать.

Знаете, какой тайной надеждой тешили мы себя в 2012 году? Только что открытый бозон Хиггса послужит нам в качестве портала в Новую физику и станет первым звеном в длинной цепи открытий.

Конец Вселенной

Электрослабый вакуум играет ключевую роль в эволюции Вселенной. После того как мы измерили с высокой точностью массу бозона Хиггса, в теории не осталось свободных параметров и мы можем воспользоваться Стандартной моделью и всем тем, что знаем о квантовой теории, для того, чтобы изучать эту самую эволюцию. В частности, едва только мы обнародовали первые данные относительно бозона, различные группы теоретиков спросили нас: а что бозон Хиггса с массой 125 ГэВ говорит нам об устойчивости электрослабого вакуума?

Сформулированный таким образом, этот вопрос кажется адресованным только специалистам, но в действительности он касается всех людей, потому что речь тут идет о судьбе нашей Вселенной. Спонтанному нарушению симметрии вакуума принадлежит решающая роль в регуляции механизма, определяющего правила игры фундаментальных взаимодействий и, соответственно, придающих очень специальную форму окружающей нас Вселенной. Характеристики электрослабого вакуума, при которых слабые и электромагнитные силы разделяются, можно изучать как функции многих переменных; две важнейшие из них – это массы топ-кварка и бозона Хиггса, двух самых тяжелых частиц в Стандартной модели. Теперь, хорошо зная эти две величины, стало возможно вычислить, как будет вести себя электрослабый вакуум в зависимости от энергии, и понять, как он сформировался в первые мгновения жизни Вселенной, а также сделать некоторые предположения относительно его эволюции в будущем.

Проведенные вычисления были довольно упрощенными. Предполагалось, что Стандартная модель справедлива при любых энергиях, а эта гипотеза, как мы знаем, может и не быть верна. Кроме того, не принималась в расчет та роль, которую могла играть гравитация, – а это может оказаться слишком грубым допущением, поскольку мы пока не поняли, что происходит при высоких энергиях с этим самым загадочным из взаимодействий. Тем не менее были получены весьма интригующие результаты, которые вызвали горячие споры, длящиеся до сих пор.

Используя массы топ-кварка и бозона Хиггса, можно построить своего рода диаграммы состояния электрослабого вакуума, то есть график, похожий на те, с помощью которых характеризуется физическое состояние жидкости, например воды. В самом деле: мы знаем, что в зависимости от давления и температуры вода может находиться в жидком, твердом или газообразном состоянии. В обычном состоянии, то есть при атмосферном давлении, при температуре ниже 0 °C вода замерзает, при температуре от 0 °C до 100 °C находится в жидком состоянии, а при температуре выше 100 °C переходит в газообразное состояние. Что‑то подобное происходит и с электрослабым вакуумом, состояние которого может изучаться как функция массы топ-кварка и массы бозона Хиггса, играющих роль, аналогичную той, что давление и температура играют для воды.

И тут нас поджидает сюрприз. На основании этого исследования становится ясно, что наша Вселенная какая‑то очень специальная. При существующих совершенно особых значениях массы топ-кварка и массы бозона Хиггса она оказывается в метастабильном состоянии, то есть заключенной в узком промежутке между областью устойчивого равновесия и бездной тотальной нестабильности.

Если бы массы топ-кварка и бозона Хиггса были чуть‑чуть другими, электрослабый вакуум оказался бы настолько нестабильным, что в нем была бы невозможна никакая эволюция: микроскопический разрыв в квантовом вакууме, проделанный Большим взрывом, немедленно бы затянулся, и все бы закончилось, не успев даже начаться. С этими же “совершенно особыми значениями” электрослабый вакуум, напротив, смог удержаться и закрепиться надолго, на целые миллиарды лет, позволив эволюции довести дело до появления нас с вами.

Но и стабильность при этом совсем не абсолютна. Если в какой‑то части Вселенной по какой‑то таинственной причине возникнет сгусток энергии, в миллиарды раз превосходящий ту, что мы производим в LHC, электрослабый вакуум может разрушиться. По всей вероятности, этот разрыв не будет оставаться локальным. Когда в какой‑то одной области система устремится к новому равновесию, весь избыток энергии, аккумулированный вакуумом, превратится в излучение, а весь космос – в огромный огненный шар.

Итак, мы приходим к двум возможным сценариям конца Вселенной. Если электрослабый вакуум удерживается, темная энергия будет отталкивать все от всего до тех пор, пока мрак и холод не воцарятся беспредельно. Ну, а изменение структуры вакуума (то есть космическая катастрофа) может, напротив, прервать замороженный макабрический танец темной энергии и вытолкнуть нас с этой сцены куда более решительным и значительно более эффектным пинком.

Однако у нас есть чем утешиться: оба эти сценария, судя по тому, что нам известно на сегодняшний день, в ближайшее время не реализуются. Так что мы все еще можем строить планы на летние каникулы или мечтать о пенсии. Очень вероятно, что у Вселенной есть в запасе несколько миллиардов лет относительно спокойной жизни.

Но интригует меня в этой истории вот что: метастабильное состояние нашей Вселенной, похоже, определяет связь между бренностью человеческого существования и шаткостью Вселенной в ее целокупности. Хрупкость человеческих существ, ненадежность наших тел, которые могут быть напрочь испорчены одним-единственным фрагментом ДНК, если в нем что‑то вдруг не сложится, или простым падением с лестницы, словно бы отражает космическую бренность, присущую даже окружающим нас галактикам и их скоплениям, когда‑то казавшимся нам бессмертными.

Следствия гипотез относительно стабильности электрослабого вакуума сильно подогрели интерес к теориям, в которых фигурирует мультиверсум. Если принимается та точка зрения, что наша Вселенная – одна из множества других вселенных, характеризующихся различными и случайными начальными условиями, то чего удивляться, что у нас такие исключительные значения масс у топ-кварка и бозона Хиггса? Окажись они другими, времени жизни Вселенной не хватило бы на появление живых существ, достаточно умных, чтобы задавать такие вопросы[50].

Картина становится более простой и понятной. Представим себе ребенка с завязанными глазами, вытаскивающего случайным образом фанты с номерами из вращающегося барабана, – вроде того, что используют при игре в лото. Каждый номер задает значение некоей фундаментальной константы в данной вселенной. Для бесчисленного количества вселенных эволюция окажется кратчайшей. Для везунчиков – какое‑то время продлится. Наконец, для супервезунчиков она продлится миллиарды лет, как у нас.

Дабы разобраться во всем этом, нам надо, чтобы LHC продолжал свою работу, а мы продолжали исследовать природу и строить новые ускорители. Электрон-позитронные, чтобы использовать их как фабрики миллиардов копий бозона Хиггса для дальнейшего и точного измерения всех его параметров. Протон-протонные с высочайшей энергией, чтобы исследовать подробности спонтанного нарушения электрослабой симметрии и искать новые частицы и новые взаимодействия.

Так началась охота за Новой физикой.

Глава 9

Ворота в будущее

“Это примерно столько же, сколько мы потратили на «Интер» в последнее время!”

UX5, подземная камера CMS в Чесси,

18 мая 2011 г., 16.00

На сегодня я встречался уже с десятками министров и глав государств. Каждый раз, когда какая‑нибудь ВИП-персона решает навестить LHC и его эксперименты, служба протокола ЦЕРН привлекает нас. Гостей следует встретить у Р5 и сопроводить до подземного зала, где установлен CMS. Это входит в обязанности спикера и отбирает уйму времени. С тех пор как ЦЕРН стал появляться на первых страницах газет, визиты Важных людей случаются не менее двух-трех раз в неделю.

Я встречался с королем бельгийцев Альбертом II, Генеральным секретарем ООН Пан Ги Муном, Председателем Еврокомиссии Жозе Мануэлем Баррозу, а также с многочисленными министрами и президентами, включая Джорджо Наполитано. Мне случалось поболтать с такими интересными людьми, как Билл Гейтс и Илон Маск (последний неплохо заработал на изобретении PayPal, а теперь выпускает электромобили Tesla и космические корабли многоразового использования SpaceX). Я встречал тех, кто хотел все знать и потому выспрашивал у меня всяческие подробности. Но иногда мне приходилось терпеть невеж, которые думали лишь о собственном пиаре, позируя журналистам и раздавая интервью. Помню я и парочку министров с пустыми глазами – мыслями они были уже далеко и то и дело поглядывали на часы, недовольные, что их визит так затянулся.

Но нынче у меня совершенно особенный гость, из‑за которого Лучио Росси вот уже месяц не находит себе покоя, потому что все должно быть безукоризненно: к нам приезжает Марко Тронкетти Провера, главный исполнительный директор компании Pirelli и горячий поклонник футбольного клуба “Интер” (он является членом его административного совета). Мы с Лучио тоже тиффози миланского клуба, причем с самого детства; бывали годы, когда “Интер” не знал себе равных и побеждал во всех матчах. Но мы оставались ему верны и позднее, когда его черная полоса затянулась, у него ничего не клеилось и он на последних секундах проигрывал не только отдельные матчи, но и чемпионаты, которые, казалось, были уже у него в кармане.

К визиту Тронкетти Проверы Лучио приготовил специальный сюрприз. Делал все в секрете, никому – даже мне – ничего не говорил. Но когда мы вошли в SM18, огромный ангар, где проводятся тесты на магнитах, которыми руководит Лучио, этот сюрприз оказался прямо перед нами – и мы все разразились хохотом.

Магниты LHC содержатся в стальных цилиндрах длиной 15 м и диаметром 60 см. Все они окрашены в голубой цвет. Так вот: Лучио взял один из них и добавил черных полосок, так что теперь казалось, будто цилиндр облачен в черно-голубую майку. Фотография обессмертила нас троих на фоне этого интер-магнита.

Шутка Лучио поспособствовала созданию приятной атмосферы, так что визит прошел на удивление удачно. Тронкетти Провера – посетитель из разряда любопытствующих, с которыми мне легко общаться. Когда мы с ним спускаемся в подземный зал, он сразу замечает шкафы оптоволоконных кабелей и хочет знать, почему их так много. Я объясняю, что эти кабели передают сигналы от детекторов, которые затем дигитализируются и отправляются на компьютеры для реконструкции событий. Здесь собираются данные о сорока миллионах столкновений в секунду на LHC, на каждое из которых как правило приходится по 1 Мб; все данные, накапливаемые в этих информационных цепочках, суммируются в поток, сравнимый с тем, что “омывает” всю Землю. Точнее, обмен информацией внутри CMS удваивает объем информации, которой люди обмениваются друг с другом с помощью телефонов, компьютеров, телепередач, оптоволоконных кабелей и всего такого прочего.

Следующий вопрос вполне ожидаем: и сколько же все это стоило? Когда я называю общую стоимость CMS, а именно – 475 млн франков, Тронкетти Провера замечает: “Я думал, больше. Это примерно столько же, сколько мы потратили на «Интер» в последнее время!”

При всем моем уважении к футболу и болельщикам, я не мог не задуматься о странностях нашего мира, где тратятся такие суммы на поддержку в должной форме хорошей команды (а таких команд, заметим, несколько десятков), но не вкладывается столько же денег в познание тайн природы и прогресс нашего познания.

Расходы на исследования

Совокупные расходы на строительство LHC, включая ускоритель и все детекторы, составляют шесть миллиардов швейцарских франков. Потребовались целые годы (точнее – двадцать лет), чтобы создать сложнейшие аппараты, компоненты для которых прибывали со всего мира; при этом большая часть финансирования поступает от европейских стран, входящих в ЦЕРН. Если мы разделим эту сумму на все население планеты и примем во внимание срок, в течение которого велось строительство, то увидим, что LHC стоил каждому из нас всего один швейцарский франк (или пять центов) в год.

Физика высоких энергий – не дешевое дело: на создание ее грандиозной инфраструктуры требуются миллиарды евро; это большие суммы, и их следует, что называется, рассматривать под микроскопом, так как речь идет об общественном достоянии, формируемом из поступлений от налогоплательщиков; вдобавок мы не должны забывать, что все финансирование наших экспериментов облагается всевозможными сборами, которые в основном идут на оплату труда наемных рабочих и выплату пенсий.

Это правильно, что всякая крупная инвестиция в научное исследование обсуждается во всех деталях и что задаются разнообразнейшие вопросы. В самом ли деле необходимо тратить эти ресурсы на фундаментальные исследования? Какое влияние на нашу жизнь окажет открытие бозона Хиггса? Не было бы лучше потратить эти деньги на борьбу с болезнями? Или на борьбу с голодом? Или на смягчение климатических изменений?

Чтобы толково отвечать на эти и подобные вопросы, которые возникают на любом публичном обсуждении, надо прежде всего определить масштаб проблемы.

У всякого предприятия с тысячами наемных служащих, будь то университет или крупная больница, годовой бюджет укладывается в диапазон между 500 млн и 1 млрд евро. И ЦЕРН – с его 2 240 штатными сотрудниками и тысячами ассоциированных исследователей, которые пользуются его инфраструктурой, но находятся на содержании своих университетов или исследовательских организаций, – не исключение. Его годовой бюджет составляет примерно 900 миллионов евро.

Всякая отдельно взятая страна тратит около миллиарда евро в год на содержание и развитие своей транспортной системы: один километр автострады или железнодорожного пути стоит примерно 20 млн евро. В Италии эти расходы (по причинам, обсуждать которые мы тут не будем) выше, причем намного. 62 км автострады, связывающей Брешию с Бергамо и Миланом, обошлись налогоплательщикам в 2,4 млрд евро. Линия С римского метрополитена, которая пока еще не достроена[51], будет стоить 4,2 млрд евро за 26,5 км.

И это мы еще не упомянули расходы на новое оружие и оборудование военного назначения. Стоимость одного современного военного самолета колеблется между 130 млн за F-35 и 200 млн за F-22, достигая 1,2 млрд долларов за бомбардировщик-невидимку B-2. В Италии действует программа по закупке в ближайшее десятилетие девяноста истребителей F-35 общей стоимостью примерно в 14 млрд евро. Современный эсминец стоит около двух миллиардов долларов; модели более продвинутые, например невидимый Zumwalt, спущенный недавно на воду в США, стоил 4,4 млрд долларов. Всего их там строят три штуки, и вся программа обойдется в 23 млрд долларов.

Давайте теперь посмотрим на крупные научные проекты (сопоставимые по масштабу и сложности с LHC), в которых задействованы на годы тысячи ученых; расходы на них сравнимы. Например, проект “Геном человека”, начавшийся в 1990 году и завершившийся в 2003‑м полной реконструкцией человеческого генетического кода, стоил 4,7 млрд долларов.

Для изучения наиболее далеких уголков Вселенной NASA в 2018 году запустит новый огромный космический телескоп – наследник орбитальной обсерватории Hubble. Это технологическое чудо будет носить имя Джеймса Уэбба, директора NASA, стоявшего у истоков программы “Аполлон”, и его предполагаемая стоимость составит 8 млрд долларов[52].

Нечего и говорить о расходах на Международную космическую станцию, на которой уже побывали и некоторые из наших космонавтов, – в частности, Лука Пармитано и Саманта Кристофоретти. Первый сегмент станции был запущен в 1998 году, и расходы на программу в первые десять лет превысили 140 млрд долларов.

Человечество тратит внушительные суммы на научные исследования; проекты вроде LHC составляют несколько процентов от глобальных расходов, на которые мир идет ради нового знания, и ничтожную часть ежегодно производимого совокупного продукта.

Если мы возьмем пять стран, больше всех инвестирующих в научные исследования и опытно-конструкторские разработки, – США, КНР, Японию, Германию и Южную Корею, – то увидим, что их ежегодные расходы в этом секторе превышают триллион долларов. Кажется, что это сумасшедшая сумма, но она составляет меньше 3 % от 35 трлн годового дохода этих пяти стран.

Наконец, тут уместен еще один вопрос: оправдывают ли полученные результаты тот уровень затрат, который необходим для проведения данных исследований?

Фундаментальные исследования нацелены на улучшение нашего понимания природы, но эта задача зачастую представляется со стороны достаточно абстрактной: понять спонтанное нарушение электрослабой симметрии, найти новые пространственные измерения, разобраться с механизмом инфляции и так далее. Однако чем абстрактнее сформулированы цели исследования, тем более конкретные и более материальные инструменты нужны, чтобы их достигнуть. Чем выше мы хотим взлететь, тем тверже должны стоять на земле.

Мы, физики, занимающиеся элементарными частицами, привыкли вести, так сказать, двойную жизнь: сегодня мы яростно спорим о стабильности электрослабого вакуума и о конце нашей Вселенной, то есть обсуждаем вопросы, граничащие с философией, а назавтра являемся в лабораторию, чтобы разработать новые материалы, придумать новые детекторы и собственными руками собрать прототипы устройств, основанные на технологиях, которые изменят судьбу человечества.

Так не раз происходило в прошлом, так, я уверен, повторится и в будущем.

Фундаментальные исследования и новые технологии

В 1989 году мы и представить себе не могли, что изобретение Тима Бернерса-Ли, сидевшего всего лишь в нескольких комнатах от нас, так сильно изменит весь мир. Появление в нашей жизни World Wide Web – это пример того, как серьезные инновации могут повернуться своей неожиданной стороной. Никто в ЦЕРН не намеревался изобретать web, в том числе и Бернерс-Ли; его делали для разрешения проблемы, связанной с тем, что LEP стал производить много данных очень разной природы: отчеты, графики, фотографии, технические чертежи… Нужно было найти способ как‑то их организовать, сделав доступными тысячам членов коллаборации. И вот наконец нашлось подходящее решение. Парень загорелся и захотел проверить, как будет работать его идея; непосредственный босс не оценил то, что он придумал, но кое‑кто решил дать Бернерсу-Ли попробовать. И вдруг – бац! Мир навсегда изменился.

6 августа 1991 года родилась первая веб-страница, а сегодня их уже миллиард. Такая чудесная вещь – и задаром! Я часто думаю, сколько проектов смогли бы мы реализовать, если бы каждый раз, когда кто‑то обращается к какой‑нибудь веб-странице, в кассу ЦЕРН падало по центу. Но уговор дороже денег. Наши исследования финансируются из общественных фондов, и все, что мы находим, мы выставляем на всеобщее обозрение совершенно бесплатно. Нет ни патента, ни прихода, никакие роялти не поступят в пользу тех, кто что‑то изобрел или открыл в физике высоких энергий. Финансирование ЦЕРН миром давно и с лихвой окупилось: экономическое воздействие нашей деятельности основательно превысило начальную инвестицию, не говоря уже об аспектах культурных и научных.

История с World Wide Web упоминается чаще прочих, но есть и много других технологий, рожденных фундаментальной физикой и изменивших нашу жизнь. Начнем с Х-лучей. Вскоре после Рождества 1895 года немецкий физик Вильгельм Рёнтген уговорил свою жену Анну Берту (изрядно, по правде говоря, сопротивлявшуюся) постоять минут пятнадцать неподвижно, положив левую руку на обернутую черной бумагой фотопластинку, размещенную под странной стеклянной колбой, с которой Вильгельм провозился много месяцев. Этот первый рентгеновский снимок полностью преобразил не только научную диагностику болезней, но и всю медицину в целом.

Рёнтген пытался понять, что происходит, когда он пропускает электрический ток между электродами, находящимися в вакууме в стеклянной трубке. Он и не думал, что, двигаясь по этому пути, откроет дорогу инновации, которая спасет жизни миллионам людей.

Попробуем вообразить, что сказал бы об этих его опытах человек с улицы конца XIX века: “И для чего они нужны, эти странные манипуляции? Не лучше ли было бы вложить деньги в лечение детей, умирающих от чахотки?”

Открытия, меняющие мир, трудно предсказать. Иногда самые важные из них совершаются почти случайно, причем людьми, которые вовсе не думали о том, как бы сделать нечто подобное; могут пройти десятилетия, прежде чем для их идеи найдется подходящее применение. Тут напрашивается сравнение с подземной рекой, которая прячется в многокилометровых карстовых пещерах, а потом вдруг являет себя, выйдя в неожиданном месте на земную поверхность.

В основе всего лежат эпохальные прорывы – открытия, заставляющие отказываться от основных парадигм. Сначала никто и не думает, что они могут для чего‑нибудь пригодиться, но затем, по прошествии десятилетий, они становятся неотъемлемой частью жизни каждого человека. Вильгельм Рёнтген не догадывался, что его аппарат ознаменует собой начало пути, который со временем приведет к компьютерной томографии, эхографии и МРТ; а ведь современная медицина немыслима без этих инноваций.

Бывает и так, что одно изобретение невозможно без другого, как невозможна лавина без первого комочка снега, полетевшего в долину. Х-лучи позволили лучше понять и ядра, и звезды, они дали нам средство исследования структуры молекул, лежащее сейчас в основе создания любого нового лекарства, любого нового материала.

Уильям Лоуренс Брэгг был совсем юным, едва окончившим университет, когда обнаружил любопытный феномен, возникавший при освещении рентгеновскими лучами небольших кристаллов. Открытие этой необычной дифракции, получившей его имя, не только сделало его самым молодым лауреатом в истории нобелевских премий (ему было всего 25 лет, когда он оказался в Стокгольме), но и позволило нам подробно изучить, из чего состоят атомы и молекулы. Революция, разразившаяся благодаря этому открытию, затронула химию, фармацевтику, материаловедение, биологию и много других дисциплин.

То же можно сказать и о лазерах. Поначалу, когда ими занимались в лабораториях, считалось, что эти аппараты никогда не принесут никакой практической пользы[53]. Кто мог подумать, что они столь нагло ворвутся во все уголки нашей повседневности? Сегодня при помощи лазеров лечат глазные болезни, разбивают тромбы, закупоривающие артерии, проигрывают музыку и показывают кинофильмы; при помощи лазера продавщица в супермаркете узнает цену товара, положенного нами в тележку, а группа хулиганов на стадионе пытается помешать вратарю команды-соперника; тонкие мощные лучи лазера используются и в промышленности – для того, чтобы проделывать отверстия в керамических или металлических пластинах.

У нас есть все основания быть уверенными в том, что тихая и незаметная трансформация не прекращается ни на минуту. Уже сегодня технологии, разработанные при постройке LHC, незаметно проникают в окружающую нас действительность. Скажем, для производства наших магнитов потребовалось сделать сверхпроводящие кабели с очень высокой пропускной способностью – и те же самые кабели стали использовать в магниторезонансных аппаратах нового поколения, которые благодаря этому стали мощнее, компактнее и экономичнее. А из‑за уменьшения стоимости и размеров многие больницы, прежде всего в странах третьего мира, получили возможность прибегать к методам диагностики, которые раньше были им недоступны.

Некоторые новые миниатюрные оптические устройства, разработанные нами для LHC, уже используются на телекоммуникационном рынке, где они позволили снизить затраты и повысить производительность.

Новые кристаллы и кремниевые детекторы, промышленно выпускаемые для наших калориметров и трековых камер, необходимы для современнейших медицинских диагностических аппаратов, позволяющих получать более точные изображения и снижать дозы облучения пациентов.

А что уж говорить о распределенных вычислениях! С самого начала было ясно, что даже самые мощные суперкомпьютеры не сумеют справиться с огромным объемом данных, получаемых в ходе экспериментов LHC. Здесь также потребовалась разработка новой технологии, и решением проблемы стали именно они – распределенные вычисления: абсолютно инновационная вычислительная инфраструктура GRID. Эту устремленную в будущее идею начали развивать на заре 1990‑х, и тогда многие сочли ее слишком авантюрной. Суть была проста: поскольку ни один вычислительный центр не обладает достаточной памятью для хранения данных и достаточной вычислительной мощностью для их анализа, то надо создать мировой суперцентр, в котором аккумулировалась бы информация обо всех крупных вычислительных центрах, занимающихся исследованиями. Вот так и образовался кластер из сотен тысяч компьютеров, которые научились работать как единая гигантская вычислительная машина. Данные направлялись туда, где было свободное дисковое пространство, а при необходимости их анализа использовались доступные на тот момент процессоры – независимо от их физического местонахождения.

Так что молодой индийский исследователь, которому надо провести анализ данных по своему классу событий, может сегодня открыть свой ноутбук в Калькутте, подключиться к Сети и запросить интересующие его данные, а потом запустить свои программы анализа и получить нужный график. Он не знает (да ему это и не требуется!), что нужные ему данные частично хранятся в Чикаго, частично в Болонье, что нужный для их анализа софт запускается на Тайване, а график, прежде чем отправиться в Индию, строится в Германии. Вычислительные мощности, с развитием сетей, стали подобны электрическим: когда нужна электроэнергия, не надо покупать генератор и никому не интересно, откуда ему или ей домой поступает напряжение и какие именно силовые подстанции подключаются в тот или иной час дня, в то или иное время года. Все просто: подключайся, пользуйся, оплачивай счета. Благодаря Сети то же самое происходит и с вычислениями: доступ к суперкомпьютеру могут получить даже те, кто находится в стране с не очень развитой инфраструктурой. Таким образом, тысячи пользователей проводят свои вычисления параллельно и платят смехотворную цену в сравнении с затратами на создание множества вычислительных центров по всему миру.

Как и в случае с любой новаторской идеей, потребовалось много времени – целых пятнадцать лет выматывающей работы, – чтобы создать новую архитектуру и добиться ее безотказного и надежного функционирования. Компьютинг, став распределенным, словно рождается заново. Вычислительные ресурсы сразу оказались значительно мощнее и значительно дешевле, да вдобавок – доступными всем. Наши успехи на LHC подтолкнули к использованию новой архитектуры и в других исследовательских областях, где требуются обширные вычислительные ресурсы, – например, в метеорологии или в гидродинамике; возник и коммерческий вариант распределенных вычислений – cloud, или “облачные”, вычисления вошли в широкий обиход как удобный инструмент, с помощью которого миллионы пользователей получают доступ к необходимым для них вычислительным ресурсам.

Ускорители, используемые для наших исследований, я бы уподобил алмазному долоту турбобура, что помогает познать тайны природы, и их семейство становится все более многочисленным. По современным оценкам, в мире сейчас более 30 тысяч ускорителей, но только 260 из них, меньше 1 %, используются в исследовательских целях. 50 % востребованы в медицине (лучевая терапия, лечение онкологических заболеваний, производство изотопов в диагностических целях, радиофармакология). Еще 41 % применяется для внедрения ионов примесей в кристаллы кремния или в другие полупроводники при производстве микросхем. Оставшиеся 9 % задействованы в иных производственных процессах.

Без физики не было бы современной медицины. Без ускорителей не было бы миниатюрных электронных устройств, обеспечивающих функционирование всего на свете: самолетов, поездов, автомобилей, станков, компьютеров – в том числе и того, на котором я сейчас пишу, – и никогда не разлучающихся с нами смартфонов. И кто может гарантировать, что человечество не получит нечто подобное, воспользовавшись более недавними открытиями, включая те, что кажутся нам сейчас слишком абстрактными и бесконечно далекими от повседневной жизни?

Когда меня спрашивают, какой прок обычному человеку от бозона Хиггса, я говорю, что не знаю. Я не в силах вообразить, на что можно было бы употребить коллимированный пучок бозонов Хиггса, и я понятия не имею, что можно извлечь из понимания, как работает новое скалярное поле. Но я уверен, что рано или поздно кто‑то посмеется над этими моими словами, как сегодня мы улыбаемся, перечитывая дебаты физиков 1930‑х годов об антиматерии. Никто из величайших ученых того времени, ни Пол Дирак, ни Герман Вейль, ни Карл Дейвид Андерсон, даже представить себе не мог, что всего через несколько десятилетий те странные частицы, которые они назвали позитронами, будут в каждодневном режиме использоваться в сотнях больниц, где есть установки ПЭТ (позитронно-эмиссионная томография). Во всем мире антиматерия используется не для того, чтобы делать ужасные бомбы, как в романах Дэна Брауна, а для диагностики тяжелых болезней или изучения тех изменений, которые происходят в мозгу человека при болезни Альцгеймера.

Однако нам всем нужно проявлять осмотрительность и помнить ответ физика Майкла Фарадея на вопрос британского министра финансов Уильяма Гладстона: “Ну а чему именно может послужить это ваше открытие? – Этого я не знаю, но очень вероятно, что вы скоро сможете обложить его налогом”.

Вызовы будущего: Япония и Китай

Открытие бозона Хиггса повлекло за собой страстную научную дискуссию, а также большие политические маневры в связи с новым поколением ускорителей, которые должны будут продолжить дело LHC. Следующим шагом (если повторять схему, сложившуюся после открытия W– и Z-бозонов) могло бы стать строительство большого ускорителя электронов. Подобно Большому электрон-позитронному коллайдеру (LEP), построенному для производства миллионов Z-бозонов и измерения всех их параметров с высокой точностью, новый коллайдер задумывается как машина, где столкновения электронов и позитронов производились бы с той же целью, но уже в отношении бозонов Хиггса. Настоящая фабрика по получению бозонов Хиггса миллионами и в идеальных экспериментальных условиях, чтобы с высокой точностью изучить все их свойства!

Еще в декабре 2011 года Япония выступила с идеей создания Международного линейного коллайдера (ILC), и с тех пор эта инициатива находится на рассмотрении, поскольку доказательство существования бозона Хиггса сделало ее очень привлекательной[54]. Сейчас, когда стала известна его масса, можно лучше просчитать реакции, в которых он появляется, и каналы, по которым идет его распад. Их можно будет использовать при проектировании электрон-протонных столкновений в ILC, где они устраиваются на линейных траекториях. Это ключевое решение: оно было принято во избежание проблем, связанных с электромагнитным излучением электронов на круговых траекториях. Два пучка – электронный и позитронный – разгоняются навстречу друг другу и сталкиваются в центре детектора.

Хотя идея сама по себе гениальна, есть целый ряд технических сложностей, ограничивающих некоторые его характеристики, прежде всего – светимость. В линейных ускорителях сгустки электронов и позитронов пересекаются только один раз, после чего частицы сбрасываются для повторного использования в новых сгустках. Хотя следующая инжекция происходит очень быстро, в секунду не удается производить более десяти-двадцати столкновений. В круговых ускорителях, напротив, частицы могут оставаться на орбитах часами, испытывая по сотни тысяч столкновений в секунду, пока не ослабнет интенсивность пучков и их не потребуется обновить. Таким образом, удается получать значительно большее число столкновений.

Чтобы скомпенсировать этот недостаток, в линейных ускорителях всемерно повышается плотность пучков: их фокусируют до предела, доводя размеры области взаимодействий до минимальных величин. Но отсюда возникают проблемы устойчивости, так как самое незначительное возмущение приводит к потере светимости. В ILC предлагается фокусировать электронный и позитронный пучки до пяти нанометров, что в тысячу раз меньше, чем в LEP; приведение во фронтальное столкновение двух настолько узких пучков создает беспрецедентные проблемы по управлению их положением.

Физическая программа ILC предусматривает столкновения с энергией в 500 ГэВ в центре масс частиц с дальнейшим доведением ее до 1000 ГэВ (1 ТэВ). Эти цели определяют длину ускорителя, так как есть теоретические ограничения на эффективность резонаторов, которые используются для разгона электронов и позитронов. На сегодня лучшая сверхпроводящая ускоряющая структура, производимая в промышленном масштабе, позволяет достигать ускорения в 24 ГэВ на километр. Для ILC ее усовершенствуют, доведя ускорение до 35 ГэВ на километр. И тогда, разгоняя пучки на протяжении 15 километров, вдоль которых располагаются тысячи ускоряющих структур, можно достичь предполагаемых 500 ГэВ. Весь ускоритель целиком, включая область, где пучки сталкиваются лоб в лоб, превращается в линейную структуру длиной в 31 км.

ILC – проект, в котором участвуют исследовательские группы всего мира. Япония выразила готовность разместить у себя новый ускоритель и предложила для него область на севере страны в горах Китаками. Это горный хребет, образованный преимущественно магматическими породами мелового периода; исключительно твердые, эти породы могли выдержать в прошлом катастрофические землетрясения – например, подземные толчки, повлекшие гибель атомной электростанции Фукусима, расположенной неподалеку, к югу отсюда.

Однако выбор столь сейсмически активного места – а подземные толчки тут практически непрерывны – для такой деликатной структуры, как ускоритель, вызывает изрядную озабоченность. Японцы, впрочем, совершенно уверены в себе, хотя многие ученые и опасаются, что в таких условиях может оказаться невозможным производить столкновения высокой интенсивности для пучков столь малого поперечного размера. Другая серьезная проблема связана с финансированием проекта: пока что ни одна страна (в том числе даже сама Япония) не выразила готовности взять на себя бремя расходов, а ведь для покрытия затрат требуется целых восемь миллиардов долларов. Короче говоря, судя по всему, строительство удастся начать не раньше 2019 года, а заработает ускоритель лишь в 2030‑м[55].

На эту инициативу очень быстро среагировал Китай, который сейчас перехватывает инициативу в физике высоких энергий. Он стал активно развивать собственные программы после того, как участились инциденты с соседней Японией, связанные со спорными островами Сенкаку/Дяоюйдао.

Сенкаку/Дяоюйдао – это группа небольших необитаемых островов в проливе между Японией, Тайванем и материковым Китаем, которая стала объектом яростных споров между этими тремя странами. В 2012 году тут произошла серия стычек, вследствие чего острова стали патрулироваться истребителями и бомбардировщиками; в городах Китая прошли многолюдные демонстрации, сопровождавшиеся уничтожением японских товаров. И если за несколько месяцев до этих событий авторитетные китайские ученые рассматривали возможность участия в проекте ILC, то позднее подобный замысел был отвергнут и Китай представил миру свои собственные планы на будущее.

Этот азиатский гигант предлагает амбициозный проект, осуществляемый в две стадии. Сначала – строительство 50‑километрового кольца, в котором разместится Круговой электрон-позитронный коллайдер (CEPC–Circular Electron-Positron Collider) на 240 ГэВ, затем – переустройство его в протонный ускоритель, способный производить столкновения с энергией до 50–90 ТэВ в системе центра масс (SPPC – Super Proton-Proton Collider).

Первая стадия позволяет провести подробные исследования бозона Хиггса. В целях уменьшения затрат для электронов и позитронов используется единое кольцо, что ограничивает максимальное количество сгустков, инжектируемых одновременно. Из-за этого нет возможности вывести на максимум светимость, и тем не менее она в два или три раза выше светимости линейного коллайдера, что делает CEPC весьма конкурентоспособным для такого типа исследований. С технологической точки зрения прорывы тут не требуются, речь идет лишь о некоторых улучшениях того, что было уже сделано для LEP, и об использовании существенных достижений последних лет в области ускорительных камер. Ускоритель может быть построен с нуля, и в качестве локации для него предлагается горный район Яньшань в 300 километрах от Пекина (вблизи городского округа Циньхуандао и недалеко от побережья Ляодунского залива), известный как китайская Тоскана. Прорыть тоннель на 50 или 70 километров в Китае стоит значительно дешевле, чем в Европе или в США; мало того: похоже, что китайцы готовы взять на себя большую часть трат. Реалистическая оценка общих расходов – около 3 млрд долларов при сроках строительства в 6–8 лет; если создание CEPC начнется в 2020 году, то к 2028‑му новый ускоритель можно будет ввести в работу[56].

Вторая стадия проекта, на которой CEPC переделывается в SPPC, – значительно сложнее и менее внятная. Помимо прочего, потребуется произвести значительно более мощные, чем используемые в LHC, магниты по технологии, которая пока что не разработана. Для SPPC рассматриваются два варианта: чтобы достичь 50 ТэВ, нужны магниты на 12 Тл, а для достижения 90 ТэВ нужно магнитное поле в 19 Тл. В обоих случаях потенциал эвентуальных открытий был бы в высшей степени впечатляющим. SPPC позволил бы исследовать диапазон энергий в 4–7 раз более обширный, чем у LHC, хотя этим преимуществом и не удастся воспользоваться в полной мере из‑за ограничения по светимости (она не может сильно превосходить номинальную светимость LHC). Такие технологические неопределенности делают предсказания относительно затрат очень сложными, а его временной горизонт выходит, по всей вероятности, за пределы 2035 года. Так или иначе, но со столь грандиозными планами Китай, как нетрудно догадаться, скоро будет претендовать на роль мирового лидера в этой области.

Запад играет в “Завоевание мира”[57]: Европа и США

Европейская стратегия в области физики высоких энергий абсолютно ясна. Прежде всего надо в полной мере воспользоваться тем потенциалом открытий, которым обладает LHC. Исследование новой энергетической области на самом‑то деле только-только начинается. Ускоритель вернулся к работе в 2015 году с рекордной энергией в 13 ТэВ, и в ближайшие годы должен произвести огромный массив данных, в десятки раз превосходящий тот, что привел к открытию бозона Хиггса. С этого момента до 2025 года, как ожидается, будет набрана статистика порядка 300 fb-1. Первые признаки присутствия Новой физики в масштабе тераэлектронвольт должны были бы появиться уже в первый год его работы, когда LHC соберет первые 100 fb-1.

В 2018 году нас ждет поворотный момент: результаты, полученные к этому времени, определят, что нам делать дальше. Если мы получим свидетельства Новой физики, то будем проектировать новые ускорители, нацеленные на уточнения в тех диапазонах энергии, где появятся новые частицы. Если же, напротив, никаких открытий не будет, то мы, во‑первых, станем увеличивать точность измерений, а во‑вторых, снова собравшись с силами, устремимся к выполнению очередного энергетического скачка. В этом случае нам понадобится самый мощный ускоритель, какой только нам смогут позволить технологические и финансовые ресурсы, чтобы отодвинуть границу исследований как можно дальше.

А пока мы, затаив дыхание, с надеждой анализируем результаты первых экспериментов при 13 ТэВ; к тому же уже вовсю идет работа по улучшению нашего ускорителя и детекторов. Цель в том, чтобы еще больше повышать светимость и собирать данные с перспективой в 3000 fb-1. Эту стадию высочайшей светимости называют HL–LHC (High Luminosity LHC[58]), и она охватит период с 2025 по 2035 год. Так что у LHC впереди долгая жизнь, которая будет посвящена систематическому исследованию Новой физики, – благодаря тому, что на нем либо будут непосредственно открывать новые частицы, либо займутся исследованием значимых отклонений от предсказаний Стандартной модели. LHC надо будет работать как настоящей фабрике по производству бозонов Хиггса и топ-кварков. В случае отсутствия прямых сигналов Новой физики обширная статистика, собираемая HL–LHC, позволит все‑таки точно измерить решающие параметры Стандартной модели, что, возможно, поможет отыскать косвенные указания на новые явления.

Между тем стартовал проект Будущего кольцевого коллайдера (FCC – Future Circular Collider), европейский ответ на инициативы Китая и Японии, касающиеся новых ускорителей. FCC – это международная исследовательская группа, созданная с целью проведения концептуального дизайна (определение инфраструктуры и оценка затрат) для будущего 100‑километрового ускорителя, который будет построен в ЦЕРН. Проект предусматривает протон-протонный коллайдер с энергией 100 ТэВ (FCC-hh) и возможность использования – на первом этапе – основной инфраструктуры для электрон-позитронных столкновений (FCC-ee).

Предложение родилось в 2014 году и тут же получило значительную поддержку со стороны международного сообщества физиков. В работе исследовательской группы в настоящее время принимают участие сотни ученых из десятка стран. Заключительный отчет предусмотрен на 2018 год, и он должен будет заложить основу для выработки новой европейской стратегии в области ускорителей частиц. К этому времени мы ожидаем принятия решений, которые обозначат направление развития физики в первой половине этого века[59].

Даже просто вырыть такой большой тоннель в этом месте – уже задача не из легких. Новый ускоритель должен будет расположиться под всей Женевой, включая озеро Леман, на глубине от 200 до 400 м. При этом надо непременно избежать многочисленных водоносных горизонтов и по максимуму воспользоваться устойчивыми геологическими слоями, лучше пригодными для проходки. Предстоит извлечь миллионы тонн горной породы и каким‑то образом рассеять их в регионе с плотной городской застройкой, а также предусмотреть колодцы доступа 400‑метровой глубины, найти адекватные средства передвижения для транспортировки людей и грузов на расстояния в десятки километров… и сделать еще много другого. Зато преимуществом этого места является доступ к развитой инфраструктуре: цепи ускорителей ЦЕРН вплоть до LHC, которые могли бы выступить в качестве инжекторов, и электроэнергетическая сеть, способная удовлетворить все потребности нового ускорителя.

С физической точки зрения последовательное использование двух ускорителей, FCC-ee и FCC-hh, представляется на данный момент оптимальной конфигурацией. Ускоритель электронов можно было бы построить сразу, как только будет готов тоннель. Для этого можно будет использовать имеющиеся технологии, а промышленное изготовление магнитов и резонаторов осуществлять параллельно с рытьем тоннеля. Детекторы не потребуют серьезных модификаций по сравнению с теми, что уже были сделаны на LHC. С оптимизмом глядя в будущее, можно ожидать принятия решения уже в 2018 году, начала строительства – в 2023‑м, а запуска – в 2035‑м, как раз в конце этапа высокой светимости на LHC.

Но вот протонный ускоритель – машина значительно более сложная, для которой потребуется многолетнее налаживание производства магнитов в промышленном масштабе. Сценарий, предусматривающий начало перехода к FCC-hh в 2040 году, позволил бы поработать над лучшими решениями для сверхпроводящих магнитов, которым суждено стать сердцем всего предприятия. С другой стороны, те же детекторы для нового ускорителя крайне сложны: понадобятся новые технологии и по меньшей мере десять лет разработок, прежде чем удастся начать промышленное производство различных их компонентов.

Физическая программа FCC-ee сфокусирована на точных измерениях параметров бозона Хиггса, топ-кварка и других фундаментальных параметров Стандартной модели. Предусматривается работа ускорителя при 90 ГэВ для производства большого количества Z-бозонов, чтобы затем повысить энергию до 160 ГэВ для генерации пар W-бозонов, потом повысить ее еще раз – до 240 ГэВ, для производства бозонов Хиггса в связке с Z-бозоном, и, наконец, достичь 350 ГэВ для получения пар топ-кварков. Для измерения констант связи бозона Хиггса с другими частицами FCC-ee позволит достичь относительной погрешности в пределах от 1 % до 0,1 %.

При 100 ТэВ на FCC-hh было бы возможно исследовать масштаб энергий, в семь раз превышающий LHC. Всякое новое состояние материи с массой от нескольких ТэВ до нескольких десятков ТэВ можно будет идентифицировать напрямую; вдобавок можно будет выяснить, элементарен ли бозон Хиггса или у него есть внутренняя структура, а также станет возможно изучить те детали спонтанного нарушения электрослабой симметрии, которые обладают определяющим значением для окружающего нас мира. Высокая светимость FCC-hh, до десяти раз превышающая светимость LHC, позволит наконец производить миллионы бозонов Хиггса, распространив с помощью FCC-ee точные измерения на те параметры частицы, которые до того было сложно измерить.

К сожалению, стоимость этой чудесной программы чрезвычайно высока. Точно ее оценить сложно, но можно смело предположить, что общая сумма окажется в пределах от 15 до 20 миллиардов евро. Также нельзя недооценивать многочисленные технические сложности. Прежде всего это касается производства сверхпроводящих магнитов с индукцией поля на 16 или 20 Тл. ЦЕРН руководит исследованиями, целью которых является получение первых реалистических прототипов уже к 2018 году. Также сложные задачи возникают в связи с управлением пучками высокоэнергетических частиц и увеличением среднего времени жизни этих пучков, с организацией системы охлаждения, отводящей тепло, которое возникает из‑за излучения в вакуумных трубках, с организацией систем защиты и с минимизацией радиационного износа компонентов ускорителя. Следует также помнить, что и сами детекторы на FCC-hh по сложности на порядок превосходят те, что разрабатывались для LHC, а поэтому требуют следующего технологического скачка.

Не вызывает, однако, сомнения, что, реализуя проект FCC, Европа заявляет о своих притязаниях и вступает в мировое соревнование за ускоритель будущего. А вот кто в этой истории старается держаться ниже травы тише воды, так это Соединенные Штаты. Те самые, которые когда‑то были безусловным лидером в данной сфере, а теперь, хоть и принимают некоторое участие в европейских, китайских или японских инициативах, так и не предложили ни какой‑то своей альтернативы, ни размещения у себя какой‑либо из обсуждающихся инфраструктур.

Единственное оригинальное предложение, исходящее от группы американских физиков, предусматривает возвращение к теме Уоксахачи (города, соседствующего с Далласом, в окрестностях которого планировалось рыть тоннель под SSC). Коллеги из США рекомендуют соорудить здесь тот самый протонный ускоритель на 100 ТэВ, который европейцы планируют строить вблизи Женевы.

Идея заключается в том, чтобы, используя десятки километров, уже прорытые для SSC, быстро довести длину тоннеля до 87 км и устроить там фабрику бозонов Хиггса – электрон-позитронный ускоритель с энергией 240 ГэВ, подобный FCC-ee. А потом – благо геологические условия Техаса позволяют – прорыть тоннель на 270 км и, оборудовав его магнитами на 5 Тл по хорошо известной технологии, достичь 100 ТэВ в протонном ускорителе. В тоннеле на 87 км можно также разместить инжектор на 15 ТэВ для протонного ускорителя. Ну а позднее, когда станут доступны технологии изготовления магнитов на 15 Тл, снабдить ими 270‑километровый тоннель – для получения энергии в 300 ТэВ.

Сторонники этого проекта настаивают, что он, несмотря на свои огромные размеры, будет куда экономичнее FCC. Но этот вариант, являясь, безусловно, весьма интересным, пока не рассматривался в качестве серьезной альтернативы другим предложениям.

В погоне за приоритетом

Сейчас в научной политике, причем на международном уровне, происходят, так сказать, “большие маневры”, и связаны они с программами постройки новых ускорителей.

Во-первых, как уже было сказано, США, похоже, согласились играть в дальнейшем роли второго плана. Сначала они обожглись в истории с SSC; потом парочку серьезных ударов нанес им ЦЕРН. Открытие W– и Z-бозонов, а затем еще и бозона Хиггса, по‑видимому, отправили их в нокаут, так что у них нет больше то ли сил, то ли желания хоть как‑нибудь реагировать. Но, несмотря на это, США остаются одним из лидеров в области новых технологий, а их достижения в других отраслях знания – в астрофизике, в космических исследованиях – по‑прежнему неоспоримы. Складывается впечатление, что американцам не по душе делать значимые инвестиции в те сферы науки, где, как они считают, их превосходство утрачено навсегда.

Совершенно по‑другому ведут себя “азиатские тигры” – Япония, Южная Корея и, конечно же, Китай. Эти страны, расположенные в наиболее динамично развивающейся части планеты, удивительно успешны и в том, что касается физики высоких энергий.

У Японии существует тут своя долгая традиция, и список нобелевских премий, полученных ее учеными за последние шестьдесят пять лет, убедительное тому доказательство. Корея и Китай включились в гонку относительно недавно, но достигнутый ими прогресс впечатляет. В особенности это относится к Китаю, который поначалу был малозаметен, но затем стал выдавать научные результаты один за другим. Чтобы усилить свое сообщество физиков, работающих в сфере высоких энергий (на тот момент весьма небольшое), государство пригласило из‑за границы лучших исследователей китайского происхождения. Тем из них, кто трудился в наиболее престижных американских университетах, оно предложило вполне сопоставимые зарплаты и фонды для проведения исследований. Чтобы создать китайские проекты новых ускорителей, правительство привлекло к участию в них наиболее известных исследователей, а молодым физикам из Америки и Европы, склонным к преподавательской деятельности, были предложены кафедры в местных университетах.

Инвестиции в фундаментальные исследования растут в Китае год от года. В процентном выражении этот рост таков, о каком мы, европейцы, которым приходится вести борьбу за выживание на фоне постоянного сокращения бюджетов, не смеем даже и мечтать. С 2000 по 2010 год они удвоились, и сегодня Китай тратит на научные исследования и опытно-конструкторские разработки больше, чем вся Европа.

Помимо прочего, в Китае запустили амбициозную программу космических исследований, включающую создание орбитальной научной станции и серию полетов на Луну. Венцом этой программы должен стать пилотируемый полет на наше ночное светило. В КНР ежегодно открывается несколько новых университетов и появляются важные инфраструктуры нейтринной физики, в том числе новая подземная лаборатория.

Китайский правящий класс демонстрирует понимание того, что инвестиции в фундаментальную науку откроют стране дорогу в мировую технологическую элиту. При этом китайцы хотят не только участвовать, но и стать первыми; они намерены добиться стратегического превосходства, сделаться научной супердержавой, ведущей за собой мир.

Если сегодня у Европы неоспоримое лидерство в физике высоких энергий, то это благодаря преимуществам научной подготовки в лучших университетах, старым традициям в активно работающих организациях вроде ЦЕРН, системам исследовательских центров и сети национальных лабораторий. У нас есть все условия для поддержания и укрепления этого приоритета. Но нам также требуется единое политическое руководство, которое не делилось бы на национальные группы и помнило о далекой перспективе развития нашего континента. Однако, к сожалению, слишком многие стратегические решения в Европе диктуются политическими случайностями или напрямую зависят от экономической конъюнктуры той или иной страны. Поэтому нужно, чтобы утвердился совершенно иной подход, нужно, чтобы европейский проект общества, устремленного в будущее, был принят в качестве своего рода конституционного пакта. Европа должна наращивать инвестиции в фундаментальные исследования, укрепляя университеты и исследовательские центры. Только вкладываясь в образование и обеспечивая появление новых поколений ученых, можно поддерживать прогресс и развитие. Задача государства – активно финансировать фундаментальные исследования, а задача промышленности – развивать прикладные исследования; необходимо использовать результаты общего познания и привлекать к работе наиболее талантливых выпускников университетов.

У Европы нет будущего без последовательных и непрерывных инвестиций в науку. Ибо ее превосходство в области физики высоких энергий подвергается сегодня большим рискам.

Глава 10

Книга бытия. Версия 2.0

Кардиналы и иезуиты против мультиверсума

ЦЕРН,

3 июня 2009 г.

Сегодня мы с Джоном Эллисом – главные в доме. Мы принимаем представителя одного очень не похожего на другие государства. В нем живет всего 836 человек, а его территория составляет всего 0,44 км^2; меньше не бывает, однако эта страна играет в мире очень важную роль – речь идет о Ватикане. Возглавляет делегацию кардинал Джованни Лайоло, губернатор Ватикана, своего рода премьер-министр, который управляет государством-градом Ватикан от имени понтифика. Визит одновременно и официальный, и научный. Кардинала сопровождает апостольский нунций Женевы и два наиболее видных ученых этого крошечного государства, два иезуита – оба астрономы: Хосе Габриель Фунес, директор престижной Ватиканской обсерватории, и Ги Консолманьо[60], куратор коллекции метеоритов Ватиканской обсерватории, одной из самых уважаемых в мире. Одна из целей визита – обсуждение возможности, что со временем Ватикан присоединится к ЦЕРН в качестве наблюдателя (это первая стадия процедуры включения в ЦЕРН нового члена). Вот почему делегация настолько представительная, а программа визита, кроме протокольных формальностей, включает еще и развернутую дискуссию на интересующие всех нас научные темы. Утром мы посетили CMS и вычислительный центр ЦЕРН, а после обеда оказались в малом конференц-зале, используемом для небольших семинаров: зал А строения 61.

У Ватикана есть государственная исследовательская инфраструктура, решающая задачи в сфере астрономии и космологии. Ватиканская обсерватория располагает двумя телескопами. Старый находится в городке Кастель-Гандольфо, где помещается летняя папская резиденция, а новый, VATT (The Vatican Advanced Technology Telescope[61]), расположен на горе Грэм в штате Аризона (США), лучшем месте для астрономических наблюдений в Северной Америке. VATT – это современный телескоп-рефлектор с главным зеркалом около двух метров в диаметре; первый оптико-инфракрасный телескоп Ватиканской обсерватории.

Ватиканская обсерватория – одна из старейших в мире. Она была основана в конце XVI века, когда папа Григорий XIII почувствовал необходимость в более точных наблюдениях и вычислениях для календарной реформы, носящей его имя. Он обратился к иезуитам Римской коллегии, где тогда работали лучшие физики, астрономы и математики, и для проведения ими нужных наблюдений велел построить башню высотой в 73 метра, известную теперь как Башня ветров[62]. Несмотря на все перипетии ватиканской истории, обсерватория оснащалась все более и более совершенными инструментами, которые иногда устанавливались в Башне ветров, а иногда в Римской коллегии. В прошлом веке, когда световое загрязнение стало слишком сильным, папа Пий XI решил перенести обсерваторию в Кастель-Гандольфо в Альбанских горах, в 25 километрах от Рима, где она находится и сегодня.

А сейчас мы в ЦЕРН, сидим вокруг овального стола и разговариваем о физике. Для начала речь заходит о темной материи. Фунес и Консолманьо хотят знать, какие у нас есть программы по прямой регистрации суперсимметричных частиц, которые могли бы навести нас на нейтралино. Джон Эллис набрасывает схему наиболее простых суперсимметричных моделей, а я подробнейшим образом объясняю, какие у нас организованы исследования. Потом разговор касается Большого взрыва, электрослабого фазового перехода, инфляции… Направляет беседу и задает вопросы отец Фунес, а кардинал Лайоло ограничивается тем, что слушает и кивает. Мы с Джоном сначала очень осторожны; мы знаем, что темы весьма деликатные, и ни в коем случае не хотим даже каким‑то пустяком задеть чувства наших собеседников. Поэтому мы стараемся избегать любых неловкостей и не спускать, так сказать, руку с тормоза. Но вот нам задан прямой вопрос: “А что вы думаете о мультиверсуме?” И мы вдруг понимаем, что весь предшествующий разговор был лишь прелюдией именно к этому вопросу. Сейчас нам наверняка придется горячо спорить с собеседниками, отстаивая мысль о том, что наша Вселенная не единственная и что существует гипотетическое множество параллельных вселенных. Это вопрос, ответ на который, если он окажется положительным, будет иметь не только научные, но и, как несложно себе представить, теологические последствия. Те острые углы, которые мы из чувства уважения старались всячески обходить, как оказывается, интересовали представителей Ватикана более всего. С этого момента разговор становится довольно напряженным, и мы проводим целый час в обсуждении теории струн, перманентной инфляции, вакуумного состояния и десятимерности нашей Вселенной. Коллеги-иезуиты прекрасно осведомлены по всем этим вопросам и ориентируются во всех их тонкостях; они просто хотят противопоставить свои мнения нашей точке зрения. Хотят проверить, как обстоят дела с жаждой познания у истинных исследователей – бесстрашных, лишенных самоцензуры, полностью свободных.

В конце встречи я, внезапно для самого себя, прерываю поток любезностей, которыми мы обмениваемся напоследок, и говорю: “Это была прекрасная беседа. Если бы Галилей видел и слышал нас сегодня, он остался бы очень доволен”. И кардинал Лайоло, пожимая мне руку, радует меня, преподнеся чудесный подарок. Он произносит: “Кстати о Галилее. Вы не хотели бы побывать у нас в Ватикане? Я был бы счастлив показать вам автографы его писем, которые хранятся в наших архивах, – эта привилегия доступна немногим”.

К сожалению, я был так занят несколько последних лет, что так пока и не воспользовался его бесценным приглашением, но рано или поздно я это обязательно сделаю.

Что же до аргентинских иезуитов (а Фунес как раз один из них), то у них сложилась своя особая школа, для которой характерна давняя традиция открытости и интеллектуальной смелости. Во время посещения CMS Фунес рассказывал мне на своем безупречном итальянском о полученном им образовании: об учебе в университете Кордовы и об аспирантуре в Италии, в Падуе. Обсуждая интерес к науке у людей церкви, он поведал мне об одном аргентинском иезуите, который стал кардиналом. Это иезуит итальянского происхождения; когда Фунес решил стать иезуитом, кардинал экзаменовал его в Кордове. Они подолгу беседовали о физике, поскольку кардинал принадлежал к небольшому числу тех высокопоставленных церковных деятелей, кто обладает основательными научными познаниями. До того как получить диплом теолога, он получил диплом химика. Фунес говорил о нем очень проникновенно – как о великом человеке. Меня он в тот раз убедить не смог, однако годы спустя я вспомнил этот наш разговор – когда кардинал Бергольо был избран папой римским и принял имя Франциск.

А что если мы действительно открыли частицу БОГА?

Мне никогда не нравилось такое название, я считал его неудачным. Однако я понимаю, что оно не только помогло книге Ледермана стать бестселлером, но и успело укорениться в коллективном сознании. Так что сколько бы усилий мы ни прилагали, как бы ни настаивали на том, что речь идет всего лишь о еще одной материальной элементарной частице, ни журналисты, ни широкая общественность, кажется, не могут уже без него обойтись.

Положа руку на сердце, я с трудом скрываю раздражение каждый раз, когда, выступая на публике, вынужден употреблять словосочетание “частица Бога”. Кроме всего прочего, я нахожу это выражение до некоторой степени оскорбительным. Хотя я сам не верующий, я с глубоким уважением отношусь к тем, кто верует. Когда я говорю о первых мгновениях жизни Вселенной, я стараюсь не задевать чувства тех, кто считает материальный мир сотворенным или, во всяком случае, проявлением высшего разума. Я знаю, что научные соображения отступают в ту секунду, когда переживается акт веры, на который каждый из нас имеет право и о котором я не могу себе позволить судить.

Тем не менее я должен признать, что недавние рефлексии научного сообщества по поводу роли бозона Хиггса могут открыть совершенно новую перспективу. Они, если вдруг подтвердятся, способны серьезно подкрепить это приклеившееся наименование. В соответствии с некоторыми гипотезами, бозон Хиггса в состоянии разрешить три важнейших загадки современной физики: избыток материи над антиматерией, происхождение инфляции и темная энергия.

Первая загадка касается нашего собственного существования как материальных сущностей. Нет оснований думать, что при Большом взрыве материя и антиматерия образовались в неравных количествах, и мы знаем, что, вступив друг с другом в контакт, они обе исчезают, превращаясь во вспышку света. Почему же тогда вся антиматерия полностью исчезла, а в космосе осталась только обычная материя, из которой состоим и мы сами, и все то, что нас окружает?

Космическое реликтовое излучение ясно показывает, что вся окружающая нас сейчас материя – это лишь небольшая часть того, что было сначала. Материя и антиматерия ранней Вселенной аннигилировали, оставив после себя большое количество фотонов, которые мы можем наблюдать вокруг себя и сейчас. Но в силу действия какого‑то механизма, пока еще нам не известного, материальная частица, одна на миллиард из существовавших в первые мгновения, смогла пережить те начальные смертельные объятия. В ходе последующей эволюции этот небольшой остаток превратился во все то, что мы знаем. Так что успех материи в ее противостоянии антиматерии подтверждается нашим собственным существованием – мелкая подробность, скажете вы… но все‑таки мы тут.

На протяжении десятилетий мы думали, что дело в некоей разнице между поведением материи и поведением антиматерии. Что есть некая незначительная аномалия, которая нарушает исходную идеальную симметрию. Проводились подробные исследования и действительно обнаруживались различные механизмы, дающие материи небольшое преимущество в процессах распада частиц и античастиц. Эти механизмы описываются Стандартной моделью, но преимущество материи оказывается слишком незначительным, чтобы объяснять ее наблюдаемый избыток.

В последние годы предпочтение отдается новой гипотезе. Все могло решиться в тот самый момент, когда произошел электрослабый фазовый переход. Наша судьба зависела от того, как проходил этот фазовый переход, и решилась именно в ту самую одну стомиллиардную долю секунды после Большого взрыва. Во вселенной, где материи столько же, сколько антиматерии, и которая, следовательно, в любой момент может превратиться в чистую энергию, достаточно, чтобы бозон Хиггса оказал легчайшее предпочтение частицам материи, решив образовывать связанные состояния с ними, а не с частицами антиматерии, – и вот пожалуйста: возникает материальная Вселенная, что нас окружает. И все‑таки определяющим было то, как именно происходил фазовый переход. По-видимому, все решилось за мгновение до того, как скалярное поле заполонило всю Вселенную, когда возникли первые крошечные пузырьки того странного вакуума, в котором слабое взаимодействие навсегда отделилось от электромагнитного. На поверхности этих пузырьков при быстром расширении могла возникнуть легчайшая асимметрия между материей и антиматерией, которая, при очень быстром прохождении фазового перехода, могла выжить и стать общим свойством.

Вот он – тот крошечный дефект, тончайшее несовершенство, из которого все и родилось. Аномалия, давшая начало материальной Вселенной, способной эволюционировать на протяжении миллиардов лет.

Если все рождается в этот момент, то его (этот момент) надо познать во всех подробностях, реконструировать кадр за кадром, в замедленной съемке и под разными углами, как это делается, когда забивается гол, решающий судьбу чемпионата мира. А значит, надо построить еще один ускоритель, куда более мощный, чем LHC. Например, FCC – благодаря энергии в 100 ТэВ в системе центра масс сталкивающихся протонов – был бы идеальным инструментом, чтобы понять, на что способен бозон Хиггса, когда находится вдали от состояния равновесия, в котором спокойно пребывает с момента Большого взрыва. На это могут уйти годы, может быть десятилетия, но рано или поздно будет написана еще одна важнейшая глава в книге нашей истории.

Второй вопрос, ответ на который мог бы дать бозон Хиггса, окутан еще большей тайной: что могло запустить процесс экспоненциального роста, инфляции, позволившей Вселенной разрастись до космических масштабов в первые мгновения ее существования?

Мы знаем, что для запуска этого процесса нужна скалярная частица, инфлатон. Бозон Хиггса, только что открытый, – первая скалярная фундаментальная частица Стандартной модели. А что если бозон Хиггса и есть этот инфлатон? Такая вероятность существует, и по данному поводу идут острые дискуссии.

Масса нового бозона – 125 ГэВ, это очень подходящая величина, чтобы, по мнению некоторых, создать потенциал, очень похожий на тот, который мог бы запустить космическую инфляцию: нечто вроде холмика с пологим спуском, вдруг срывающимся в потенциальную яму. В отдельных моделях у потенциала скалярного поля могут быть два локальных минимума. В первый момент оно могло устремиться к ближайшему из них, запустив при этом экспоненциальный рост. Потом, благодаря квантовому туннельному эффекту или в силу какого‑то другого механизма, новая частица возобновила свое соскальзывание в состояние устойчивого равновесия, породив электрослабый вакуум, в котором она пребывает и поныне. Выходит, в процессе эволюции Вселенной бозон Хиггса выполняет двойную работу: сначала он создает сумбур, из которого рождается всё на свете, а потом, когда буря стихает, наводит порядок среди взаимодействий и разводит элементарные частицы по семействам, приписывая каждой определенное значение массы, – так, чтобы все могло потом развиваться и эволюционировать еще миллиарды лет. И вот тут не поспоришь: если бозон Хиггса действительно мог сыграть столь выразительную и сложную роль в формировании нашего материального мира, то ему трудно отказать в праве называться частицей Бога.

Впрочем, здесь все же есть о чем подискутировать. У гипотезы, что бозон Хиггса – это и есть инфлатон, как бы она ни была соблазнительна, находятся в научном сообществе серьезные и многочисленные оппоненты. Даже если предположение, что бозон Хиггса играл какую‑то роль в инфляции, верно, есть немало ученых, настаивающих, что необходимо существование и другого скалярного поля, которое должно было сопровождать и поддерживать первое, – так, как будто речь идет о слишком сложной задаче, с которой не справиться в одиночку. И мы вновь возвращаемся к тому вопросу, с которого начали: бозон Хиггса одиночка – или же член целого семейства новых скалярных частиц?

Чтобы это узнать, требуются многочисленные новые исследования. Прежде всего надо точно измерить, как меняется его потенциал с ростом энергии, а это, в свою очередь, зависит от таких параметров, как масса топ-кварка и константа связи сильного взаимодействия, которые тоже надо будет очень точно измерить. Константа связи бозона Хиггса с самим собой – еще один решающий параметр, могущий скрывать сюрпризы. Чтобы его измерить, придется исследовать редчайший процесс, который нам, может быть, удастся наблюдать лишь на этапе высокой светимости LHC: образование пар бозонов Хиггса. Для подробного исследования этого странного механизма – когда один бозон Хиггса распадается на два бозона Хиггса – будет необходимо построить новые ускорители и набраться терпения: процесс настолько редкий и сложный, что придется научиться производить пары миллионами; только после этого удастся отобрать сотню доступных для измерения.

Но, возможно, и этого окажется недостаточно для разрешения всех сомнений относительно роли бозона Хиггса в инфляции. Для того чтобы наверняка подтвердить данную гипотезу, потребуется проверить, не осталось ли в космическом фоновом излучении тончайших реликтовых следов, характерных для первичных бозонов Хиггса.

Вся Вселенная – это что‑то вроде гигантской микроволновки, которая очень разогрелась миллиарды лет назад и пока еще не до конца остыла. Ее излучение продолжают изучать самыми чувствительными инструментами, потому что оно все еще сохраняет следы – хотя бы и очень слабые – всей той истории, через которую эта “микроволновка” прошла. Поэтому то коловращение фотонов, что мы видим повсюду и что накрывает нас со всех сторон, оказывается ценнейшим источником информации о происходившем в былинные первые мгновения. Чтобы хорошо их изучить, надо избавиться от типичных помех, создаваемых атмосферой Земли; для этого измерительные приборы отправляются на орбиту или же в самых отдаленных регионах Антарктиды устанавливаются очень специальные детекторы.

Если бозон Хиггса запустил инфляцию, то он должен был оставить определенный след. Но если попытаться рассчитать этот след, то окажется, что прикосновение бозона Хиггса было очень нежным. Фотоны реликтового фона окончательно расстались с материей через 380 тысяч лет после Большого взрыва. В течение этого периода, когда фотоны и электроны непрерывно поглощались и переизлучались веществом, у них было достаточно времени, чтобы взаимодействовать с целым морем гравитационных волн, разлившимся из‑за инфляции и тысячелетиями продолжавшем раскачивать раннюю Вселенную. Пространственно-временные возмущения передавались фотонам, с которыми взаимодействовали гравитационные волны, и между ними происходил своего рода импринтинг. Характерная поляризация, специфическая для этого типа взаимодействий, от которой оставались едва заметные следы в реликтовом фоне на протяжении следующих миллиардов лет.

Эту характерную поляризацию ищут во всех самых продвинутых экспериментах, но искомый эффект очень слаб, его заглушают другие явления, и получаемые сигналы остаются невидимы. Это примерно как попытаться услышать спустя 13,8 млрд лет эхо от тихого плача ребенка. Если бозон Хиггса и запустил инфляцию, отзвук этого события все еще остается далеко за пределами чувствительности наших инструментов.

Однако мы можем открыть кое‑что новое относительно связи бозона Хиггса с величайшей загадкой начала третьего тысячелетия – с темной энергией.

Все, что мы знаем об этой не очень хорошо идентифицированной сущности, это то, что она распределена в пространстве с постоянной плотностью. Величина этой плотности очень мала, но все же отлична от нуля. Впрочем, самое удивительное – это не то, что темная энергия существует, а то, что у нее такая маленькая плотность. Если взять вакуум и рассчитать энергию, которую он должен содержать, исходя из известных механизмов квантовых флуктуаций, то мы получим плотность энергии, отличающуюся от измеренной на 120 (sic!) порядков, то есть почти на бесконечность. Ее называют “вакуумной катастрофой”, намекая на рекордное по своей провальности предсказание в истории физики.

Кое-кто думает, что так получается из‑за каких‑то механизмов компенсации, работающих при участии других частиц типа Сьюзи, которые вносят отрицательный вклад в полную энергию, вычитая из нее почти все и доводя до того самого магического значения, – положительного, но очень близкого к нулю. Другие же предполагают, что решение нам даст именно бозон Хиггса.

У хиггсовского поля есть одно специфическое значение, одинаковое во всем пространстве; хиггсовский потенциал при таком значении поля равен нулю. По этой причине разница значений потенциальной энергии в двух произвольных точках пространства в точности равна нулю. Это объясняет, почему вклад хиггсовского поля в темную энергию, строго говоря, нулевой: плотность энергии скалярного поля равна нулю. С другой стороны, если предположить, что значение хиггсовского поля слегка отличалось бы в ту или иную сторону от этого магического значения, которое повсюду обращает потенциал в нуль, то у энергии повсюду появилось бы некоторое ненулевое значение. А если в дополнение к хиггсовскому полю рассмотреть еще и другое, новое и очень слабое скалярное поле, с которым тоже связан какой‑то дополнительный бозон, то это как раз и могло бы создать ту небольшую разницу, что объяснила бы существование темной энергии. Увлекательная гипотеза, которая, хотя и не объясняет огромного расхождения, о котором мы говорили выше, но открывает возможность для наводящего на размышления сценария. Благодаря бозону Хиггса мы сумеем разгадать одну из самых интригующих загадок современной физики.

В заключение надо заметить следующее: несмотря на то, что многие ученые разочарованы отсутствием прямых свидетельств Новой физики, кое‑кто начинает задаваться вопросом, а не открыли ль мы ее уже?

Вдруг бозон Хиггса, эта совсем не обычная частица, и есть Новая физика? Ведь новый бозон – частица очень странная, до того странная, что взаимодействует даже сама с собой. Самая простая частица, какую только можно себе представить, на деле оказывается самой сложной для понимания. Что он тут делает в одиночку, этот странный тип, без заряда и без спина, действующий отдельно от всех остальных частиц, организованных в два больших семейства? Какую роль в космической трагедии играет этот экстравагантный персонаж, который дружит то с Монтекки, образующими всю материю, то с Капулетти, переносящими взаимодействия? А что если это только первая частица из целого семейства скаляров, которых не спутаешь ни с Монтекки, ни с Капулетти? Только вообразите, как будут смеяться над нами лет через двадцать: “И что за чудаки были эти ученые начала века: открыли Новую физику, но не замечали ее! Искали ее повсюду, а она была у них под носом”.

Великие дела на будущее

С открытием бозона Хиггса мы оказались на решающей развилке в истории физики. И вот с чем теперь нам предстоит разбираться: происхождение элементарных частиц, механизмы возникновения нашей материальной Вселенной, структура самого пространства-времени, темная материя и темная энергия.

Для движения вперед нам понадобятся эксперименты нового поколения, на новых ускорителях, – но и не только. Изучение крошечных элементарных частиц непременно должно сопровождаться исследованиями, так сказать, на другом конце шкалы, ведущими к более глубокому пониманию крупных космических структур. Открытие новых частиц скорее всего поможет разгадыванию некоторых космических тайн, и наоборот – из астрономических наблюдений удастся добыть знание об исчезающе малом. Никогда прежде эти два пути познания настолько не сближались и настолько не дополняли друг друга.

Наблюдение самых далеких галактик, сверхскоплений, реликтового излучения – это область применения супертелескопов последнего поколения, крупных установок, расположенных либо на Земле, либо на орбитальных обсерваториях. Именно с их помощью исследуются наиболее массивные и наиболее далекие объекты во Вселенной. Новые инструменты пытаются распознать любые возможные сигналы. Каждый день создаются все более подробные космические карты не только в традиционных оптических лучах, но и при помощи радиоволн всех частот, рентгеновского и гамма-излучения – вплоть до нейтрино и космических лучей.

Продолжаются и традиционные исследования – при помощи оптических телескопов, но теперь появились новые, более совершенные технологии, делающие видимыми самые далекие галактики. Сейчас специалисты научились изготавливать гигантские – более десяти метров в диаметре – зеркала, состоящие из десятков элементов, точные, направляемые компьютером, движения которых позволяют сфокусировать даже самые слабые световые сигналы. Были созданы исключительно чувствительные сенсоры, как в видимом диапазоне, так и в инфракрасном и в ультрафиолетовом – что не менее интересно. Наконец, чтобы избежать искажений (связанных либо с движениями атмосферы, либо со световым загрязнением), от которых невозможно избавиться даже в самых далеких пустынях, планируется отправить в космос очередную генерацию орбитальных телескопов, потомков космического телескопа “Хаббл”, вот уже более двадцати пяти лет обращающегося вокруг Земли на высоте 550 километров и продолжающего посылать нам самые красивые изображения галактических узоров, что украшают каждую пядь небесного свода.

Раскинувшиеся на огромные площади радиотелескопы продолжают регистрировать слабейшие радиоволны от пульсаров – нейтронных звезд, вращающихся с невероятной скоростью, и от активных ядер галактик, в каждом из которых сверхмассивная черная дыра поглощает свое ближайшее галактическое окружение. Самые незначительные сигналы, достигающие нас, могут поведать о целых областях во Вселенной, где разворачиваются невообразимые катастрофы; рассказать о царящем там хаосе и об ужасных событиях, столь не похожих на те, что привычны населенному нами тихому уголку мира. Но, может быть, именно благодаря пониманию этих далеких катастроф наши представления о Вселенной станут более полными и точными.

Сложные инструменты – и установленные на Земле, и отправленные на космические спутники или станции – способствуют формированию карты Вселенной, показывающей, как она выглядит в лучах рентгеновского диапазона. Для идентификации происхождения космических лучей – в особенности тех, что переносят чудовищные энергии, приходя к нам из самого глубокого космоса, – антеннами покрыли целые долины Тибетского плато и более 3 000 квадратных километров аргентинской пампы. Для регистрации солнечных нейтрино и явлений вроде взрывов сверхновых одни исследователи спускаются в глубочайшие шахты, другие погружают в море – на глубину в сотни метров, в питомнике кашалотов вблизи мыса Капо-Пассеро у берегов Сицилии – длинные нити фотоэлементов, третьи заполняют детекторами километровый ледяной куб в Антарктиде.

Повсюду, даже в самых негостеприимных местах нашей планеты, неустанно работают целые команды, отправившиеся за новым знанием.

Весь мир участвует в охоте за темной материей, приближая разгадку одной из величайших тайн. Исследований на ускорителях недостаточно, чтобы распознать всевозможные покровы, под которыми может прятаться эта странная разновидность материи. И потому изготавливается сверхчувствительная аппаратура, способная идентифицировать сигналы от взаимодействия этих частиц с обычной материей. Это редчайшие события, и выделения энергии при этом самые незначительные, так что приходится изобретать криогенные детекторы, работающие при температурах в непосредственной близости от абсолютного нуля, но умеющие уловить ничтожное количество теплоты, выделившейся при столкновении частицы темной материи со сверхчистым кристаллом, к примеру, германия. И разрабатывается технология выращивания таких кристаллов со сведением на нет любых примесей. Или же ищутся слабые вспышки света – когда какая‑то из этих частиц сталкивается с атомом какого‑то инертного газа (аргона или ксенона). И физики собирают этот газ, чтобы сжижать его тоннами, и придумывают новые методы его дистилляции, доводя его чистоту до предела. Вещества, используемые как сенсоры, должны быть избавлены от любых загрязнений, чтобы какой‑нибудь случайный радиационный распад в случайной примеси не замаскировал ожидаемое событие. Наконец, чтобы свести к минимуму путаницу, вызываемую бомбардирующими Землю космическими лучами, аппаратура устанавливается в заброшенных шахтах или в подземных лабораториях, защищенных километрами горной породы; такие лаборатории появляются и в Северной Америке, и в Европе, и в Китае.

Дабы ничто не осталось незамеченным, аппараты также запускают в космос – чтобы следить за косвенными признаками. Там, в сотнях километров от Земли, проще всего заметить аномальное образование каких‑нибудь редких частиц, например позитронов, которые могли бы указывать на процессы аннигиляции частиц темной материи между собой.

В ближайшие десятилетия, благодаря сочетанию прямых и косвенных наблюдений в ускорителях, подземных лабораториях и на спутниках, темной материи будет все более сложно скрываться от нас. И легко предположить, что еще до середины века эта, одна из самых интригующих загадок природы, окажется разгаданной.

Чтобы добраться до сути темной энергии, было также запущено несколько новых проектов. Один из наиболее интересных среди них, “Обзор темной энергии” (DES – Dark Energy Survey), начал собирать данные пару лет назад[63]. В основе эксперимента – широкоугольная цифровая фотокамера, которая, благодаря присоединенному к ней телескопу, позволяет наблюдать одновременно много далеких галактик и следить за их движением. Эта новейшая камера на 570 мегапикселей снабжена десятками связанных друг с другом сенсоров, наиболее чувствительных к градациям красного цвета, который играет самую важную роль при визуализации наиболее удаленных галактик. Чтобы исключить всякие возмущения при восстановлении изображений, камера работает в вакууме и при температуре –100 °C, а в системе восстановления изображений используется подавление шумов. Камера располагается в фокальной плоскости телескопа-рефлектора с четырехметровым зеркалом, который находится в Андах на горе Серро-Тололо, на высоте 2 200 метров над уровнем моря, в 460 километрах к северу от Сантьяго‑де-Чили. Тамошние условия почти идеальны для того, чтобы время от времени наблюдать небольшой участок неба, реконструируя изображения тысяч находящихся там галактик. За пять лет наблюдений предполагается изучить триста миллионов галактик, расположенных в миллиардах световых лет от нас[64]. Эпоха точных измерений темной энергии уже началась.

Понять секреты далеких катастроф

И вот наконец мы добрались до краеугольного камня всех наших проблем: нам надо понять, что из себя представляет самое очевидное, но и самое неуловимое из всех взаимодействий – гравитация. Столетия спустя после Галилея и Ньютона поколения физиков не перестают задаваться вопросами об этой столь привычной для нас всех силе и о роли, сыгранной ею в первые мгновения жизни Вселенной. Гравитация до сих пор, причем весьма успешно, уворачивается от любых попыток применить к ней те же правила, которые позволили разобраться со всеми другими взаимодействиями: квант этого взаимодействия, гравитон, остается таинственной частицей; никому все еще не удалось ни зарегистрировать гравитационные волны, ни построить убедительной теории квантовой гравитации. Но прогресс в этой области идет быстро, так что великие открытия не заставят себя ждать.

Эксперименты по прямой регистрации гравитационных волн уже достигли весьма высокого уровня зрелости – в особенности с тех пор, как в игру вступили большие интерферометры. Гравитационные волны – это легкая рябь в пространстве-времени, предсказанная общей теорией относительности, но она до сих пор оказывалась настолько слабой, что все попытки ее обнаружить оставались безуспешными. Непрямые свидетельства гравитационного излучения были получены при наблюдении сжатия орбит некоторых пульсаров в двойных звездных системах. Пульсары – это исключительно компактные космические объекты, размером в несколько десятков километров, но при этом обладающие массой до двух солнечных. Это звезды с очень сильным магнитным полем, вращающиеся с совершенно невообразимой угловой скоростью, из‑за чего с их полюсов излучаются электромагнитные импульсы (отсюда и их название Pulsar – сокращение от Pulsating Radio Star[65]). Когда две нейтронные звезды образуют двойную звездную систему, обе они начинают стремительно обращаться по эллиптическим орбитам вокруг центра масс системы; в этих условиях, как предсказывает общая теория относительности, часть их орбитальной энергии излучается в виде гравитационных волн. А уменьшение орбитальной энергии означает, что орбита со временем сжимается. Это явление продемонстрировали наблюдения, выполненные впервые Расселом Халсом и Джозефом Тейлором, когда они работали на огромном радиотелескопе Обсерватории Аресибо в Пуэрто-Рико и изучали, что происходит с пульсаром В1913+16. За это свое открытие они были удостоены Нобелевской премии 1993 года.

С этого момента прямая регистрация гравитационных волн стала приоритетной задачей, увлекающей сотни ученых и притягивающей к себе внимание больших исследовательских организаций. Мобилизованные ресурсы позволили соорудить современные инфраструктуры на базе огромных интерферометров.

Принцип работы этих инструментов прост: луч лазера расщепляется на два луча, направляемых перпендикулярно друг другу. Несколько километров каждый из них проходит в глубочайшем вакууме, а потом отражается от зеркала и возвращается назад в том же самом вакууме. Встречаясь, эти два луча складываются в интерференционную картину, чутко реагирующую на малейшую разницу их оптических путей. Если проходит гравитационная волна, возмущение пространства-времени приводит к удлинению одного плеча и укорочению другого, и из этой крошечной разницы рождается сигнал.

Инструменты, используемые в исследованиях гравитационных волн, относятся к разряду наиболее изощренных изобретений человеческого ума. В настоящее время они способны обнаружить разницу двух оптических путей в 10–19 м, то есть в одну десятитысячную диаметра протона. Столь высокая чувствительность необходима для того, чтобы была хоть какая‑то надежда зарегистрировать сигнал от прохода гравитационной волны.

Явления, способные рождать достаточно заметные гравитационные волны, происходят на очень больших расстояниях от нашей планеты. Если мы воспользуемся аналогией с электромагнитным излучением, то можно сказать, что для гравитационной волны нужно ускоренное движение гравитационного заряда, то есть какой‑то массы. Но гравитация до того слаба, что требуются огромные массы, движущиеся с колоссальным ускорением, – только тогда гравитационная волна окажется достаточно сильной, чтобы оставить сколько‑нибудь заметные сигналы в экспериментальной установке на Земле. Речь идет об отслеживании космических катастроф – вроде взрывов сверхновых, слияния двойных систем нейтронных звезд с образованием черной дыры или о слиянии двух сверхмассивных черных дыр. Теория предсказывает, что на финальной стадии таких явлений излучаются гравитационные волны большой мощности, – но их интенсивность с расстоянием быстро убывает. Однако это гравитационное излучение, хотя и ослабленное, может стать источником обнаруживаемых сигналов в земных интерферометрах, если расстояние излучающих небесных тел не превосходит 100 миллионов световых лет. Чем больше чувствительность инструментов, тем больше радиус слышимости (то есть количество галактик, которые можно одновременно держать под наблюдением), а значит и выше вероятность заметить какое‑то из этих событий, которое позволит воскликнуть: Эврика!

Увеличение чувствительности подразумевает борьбу с шумами. Расстояние между зеркалами непрерывно изменяется по множеству причин, и все эти причины надо контролировать. Подвесы зеркал укреплены на земле, и с какими бы предосторожностями это ни делалось, на их положение влияют мельчайшие сейсмические волны в земной коре. Отдельные исследования проводятся для создания сложных демпфирующих систем, которые были бы способны гасить любые возмущения, передаваемые через атмосферу или почву, каков бы ни был их источник – проезжающий вдали грузовик или пролетающий высоко в небе самолет, шелестящая от ветра листва, бьющиеся о скалы морские волны или течение реки. Кроме того, надо учесть броуновское движение самих зеркал, квантовые флуктуации числа фотонов, испускаемых лазером и отражаемых затем зеркалами, и много других подобных факторов. Необходимы тысячи ухищрений, чтобы удалить все эти возмущения и найти способ слышать только едва различимый шорох, издаваемый гравитационными волнами. Это можно сравнить с поиском глубочайшей тишины, чтобы дать возможность уху уловить далекое эхо отрыжки черной дыры, проглотившей красного гиганта в десять масс Солнца на расстоянии в пятьдесят миллионов световых лет, или характерное лопотание двух черных дыр, поглощающих друг друга в пароксизме макабрического танца на все более тесных орбитах.

Чтобы компенсировать шумы и увеличить чувствительность, были построены новые инструменты, работающие в режиме совпадения друг с другом. Зная расстояния между интерферометрами, можно вычислить задержку, с которой один и тот же сигнал от гравитационной волны должен регистрироваться в разных экспериментах, и получить, таким образом, в свое распоряжение дополнительное средство борьбы с шумами. В ведении Обсерватории LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory[66]) находятся три больших интерферометра в США: один в Ливингстоне, штат Луизиана, а два других в одних и тех же трубах с глубоким вакуумом на территории давно выведенного из эксплуатации Хэнфордского комплекса по соседству с городом Ричленд, штат Вашингтон. Команды трех американских инструментов сотрудничают и обмениваются данными с итало-французским интерферометром Virgo[67], названным так по месту скопления 1 500 галактик в созвездии Девы в 50 млн световых лет от нас. Еще три интерферометра меньших размеров и чувствительности находятся в Германии и Австралии, и есть планы установить еще один в Индии.

До сих пор ни одному из них не удалось зарегистрировать сигнал от гравитационной волны, но прогресс в улучшении чувствительности, достигнутый в последние годы, внушает всем определенный оптимизм, так что уже готовятся шаги, которые надо будет совершить после регистрации события. Поимка того, кто идет сейчас первым номером в списке главных разыскиваемых, станет не просто великим событием в истории науки, но и положит начало новому разделу астрономии. Наблюдать Вселенную можно будет в совершенно иной перспективе, комплементарной ко всем ныне существующим. При помощи новых инструментов, установленных также в Южном полушарии, можно будет обнаружить новые источники гравитационных волн и построить картину Вселенной, опираясь на источники, отличные от уже известных. Информация, которая будет использовать и весь частотный спектр электромагнитных излучений, и космические лучи, и нейтрино, и гравитационные волны, позволит по‑иному взглянуть на очень далекие космические катастрофы, благодаря чему родится более глубокое понимание нашей Вселенной. Дальнейшее улучшение чувствительности до предельных значений позволит исследовать реликтовые гравитационные волны, эхо Большого взрыва, и через это, возможно, понять роль, которую гравитация играла в первые мгновения жизни Вселенной.

А потому некоторые исследователи уже начали задумываться об интерферометрах, размещенных на орбите: инструментах, перемещающихся под действием солнечной гравитации вдали от любых сейсмических возмущений; они движутся в самом глубоком из возможных вакуумов – звездном вакууме – и пользуются лазерным лучом длиной в миллионы километров. Это проект eLisa (evolved Laser Interferometer Space Antenna) Европейского космического агентства, для которого проводятся технико-экономические испытания и который может быть выведен на орбиту в 2034 году.

Для выполнения этих новых задач потребуется новое поколение ученых, способных совершить качественный скачок в придумывании еще более изощренных инструментов и еще более продвинутых технологий их изготовления. Человечеству требуются молодые блестящие умы, которые придадут новый импульс процессу познания.

Эпилог

Бонобо, шимпанзе и сверхновые

Мы не единственные антропоморфные приматы, обладающие способностью строить картину мира. Палеоантропологи уже довольно давно смогли выделить некоторые линии среди гоминидов, развивавшиеся параллельно с видом Homo sapiens, к которому относимся мы сами. Мы заселяли Землю не в одиночку – одновременно с нами то же делали шимпанзе и бонобо, орангутаны и гориллы. С нашими ближайшими родственниками, которых мы лишь недавно признали в качестве таковых, нас объединяет не только значительная часть генетического кода: мы социальные животные, мы пользуемся какими‑то формами языка, мы участвуем в ритуалах и церемониях, а главное – у нас есть способность выстраивать картину мира.

Всем видам гоминидов это давало колоссальное эволюционное преимущество. Суметь изготовить орудие для добывания пищи, то есть найти подходящий камень, которым можно расколоть большой орех, или достаточно гибкую ветку, которую можно просунуть в дупло, где пчелы сделали мед, – для решения подобных задач требуются ясные представления о себе и об окружающем мире. Умение самоорганизоваться до такой степени, чтобы предупреждать свой клан о любых опасностях, предполагает ясное осознание целей своих действий и трансляцию своих знаний потомкам.

Успехи Homo sapiens в адаптации к самым разным внешним условиям ярко проявлялись издавна, но на протяжении последних четырехсот лет стало происходить нечто совершенно особенное, давшее нашему виду мощный импульс к заселению всей планеты. Мы обзавелись инструментом, который позволил выстроить намного более изощренную и сложную картину мира, чем любая из существовавших ранее. Этот инструмент называется научным методом; он появился совсем недавно, и благодарить за него следует итальянского ученого Галилео Галилея.

Когда в 1604 году на небе вспыхнула новая звезда, никто в Европе не обошел ее своим вниманием. Теперь мы знаем: то была сверхновая, которую назвали SN1604 – в соответствии с современной номенклатурой, включающей в обозначение год взрыва этой звезды. Заинтересовавшись наблюдением звезд, Галилей решил усовершенствовать примитивные оптические зрительные трубы и превратить их в инструмент научного исследования. Как только этот инструмент достиг достаточной кратности, Галилей приступил к наблюдениям Луны и основных планет Солнечной системы. Его внимание привлек Юпитер и странные звездочки вокруг него, совершающие некие чудные движения. Галилей пришел к выводу, что это, вне всяких сомнений, – спутники Юпитера.

Галилей увидел то, чего видеть был не должен: Луна оказалась не совершенной неизменной звездой, как тогда полагали, а небесным телом с горами и долинами, похожими на земные; вокруг Юпитера, как выяснилось, обращаются спутники, которые пизанский ученый назвал Медицейскими звездами[68] и которые вместе с самим Юпитером образуют что‑то вроде Солнечной системы в миниатюре. И Галилей мало того, что наблюдал все это, но еще и осмелился описать свои открытия.

Когда он в 1610 году опубликовал свою первую книгу “Звездный вестник”, никто, разумеется, не мог даже представить, что описанные там астрономические наблюдения не только принесут автору множество несчастий, но и навсегда изменят мир. Причем речь идет об эпохальном изменении, эффект от которого может быть уподоблен эффекту от таких величайших революций, как возникновение языка, или живописи, или введение в употребление символов.

Галилей, можно сказать, стоял у истоков современности. Для того чтобы лучше понимать окружающий мир, чтобы выстроить более сложную его картину, не обязательно разбираться в том, что написано об этом в книгах или что доносит об этом традиция. Человек становится свободным; он сам, своим умом, опираясь на собственное воображение, ищет объяснений тому, что происходит вокруг. С помощью рационально организованных экспериментов исследуется природа, строятся предположения и проверяются их следствия; если же то или иное предположение опровергается, так как оно не в силах объяснить явление полностью, надо искать другую гипотезу. Так наука расширяет свои горизонты, исправляет свои ошибки и устраняет ограничения, приобретая ту способность предвидения, которая делает ее движущей силой все более глубоких перемен.

Перед нами сегодня стоят новые задачи, которые практически наверняка потребуют иной парадигмы мировосприятия. Возможно, начало ей положило именно открытие бозона Хиггса. Возможно, человечество вот-вот стремительно ускорит свое развитие и изобретет технологии, представляющиеся нынче немыслимыми.

Я не знаю, сколько времени понадобится для того, чтобы в физике произошла очередная концептуальная революция, – может, десятилетия, может, даже больше. Но я уверен, что ее исходной точкой станет появление физиков новой генерации, обладающих свежим взглядом, бесстрашием, готовностью показать всему миру, что они смогут преуспеть там, где предыдущие поколения потерпели крах.

Нам повезло жить в стране, где, несмотря ни на что, созданы прекрасные условия для молодых талантов, желающих посвятить свою жизнь поиску совершенства: тут есть долгая традиция физики высоких энергий, есть несколько прекрасных университетов и есть эффективные исследовательские организации, существующие на базе таких институтов, как INFN, – со своими лабораториями и инфраструктурой, которым может позавидовать весь мир.

И я, автор этой книги, очень надеюсь, что она вдохновит каких‑то юношей и девушек отправиться на поиски приключений, которые навсегда изменят не только их, но и – кто знает! – нашу с вами жизнь.

Благодарности

Прежде всего я хотел бы поблагодарить Фабиолу Джанотти, Мишеля Делла Негра, Петера Йенни, Джима Вирди, Джо Инканделу, Серджо Бертолуччи и Рольфа Хойера – моих попутчиков, с которыми во время этого волшебного путешествия я испытал самые сильные эмоции. Особая моя благодарность – Джорджо Брианти, Лину Эвансу, Стиву Майрсу, Лучио Росси, Роберто Сабану и сотням других физиков и инженеров, которые построили LHC и успешно поддерживали его в рабочем состоянии.

Я благодарен тем моим друзьям, с которыми я бок о бок трудился на CMS. Это Ален Эрве, Остин Болл, Серджио Читтолин, Фабрицио Гаспарини, Игорь Голутвин, Дэн Грин, Даниэль Денегри, Тереза Родриго, Альберт де Рук, Джиджи Роланди, Боаз Клима, Вивек Шарма, Джанни Зумерле, Рино Кастальди, Марселла Диемоз, Умберто Досселли, Этторе Фокарди, Кирсти Аспола и Натали Блеш-Григгс.

Хочу выразить свою признательность всем тем, с кем мне доводилось встречаться на протяжении этих лет, и в особенности тем, чья роль была так велика, что они сами стали центральными действующими лицами этой истории: Карло Руббиа, Герарду ‘т Хофту, Джону Эллису, Сэму Тингу, Лучано Майани, У Сюлань, Марко Тронкетти Провере, Пьеро Луккини, Джованни Лайоле, Хосе Габриелю Фунесу, Ги Консолманьо.

Франсуа Англеру и Питеру Хиггсу, без чьей проницательности все, о чем рассказано в этой книге, никак бы не могло произойти, – мои крепкие объятия, в которые я также хотел бы заключить и сотни молодых людей, работавших на ATLAS и CMS: только благодаря их невообразимым усилиям наше открытие стало возможным.

Огромное спасибо всем тем, кто сподвигнул меня на написание книги: Лучане, спутнице всей моей жизни, а также Амиру Акселю, Сандро Гардзелле, Джанфранческо Джудичи и Андреа Парланджели.

И, наконец, совершенно особое место в моей памяти занимают три по‑настоящему необыкновенных человека, сыгравшие в этой истории очень важную роль и совсем недавно нас покинувшие: Питер Шарп, Эмилио Пикассо и Лоренцо Фоа.

Послесловие научного редактора

Строительство и запуск Большого адронного коллайдера, авария 2008 года, открытие бозона Хиггса в 2012 году и последующая работа LHC широко освещались в СМИ. Читая рассказ Тонелли, читатель наверняка вспоминал, что уже встречал то или иное событие в новостях или научно-популярных статьях. Из всего многообразия материалов на русском языке отдельно стоит упомянуть проект “Большой адронный коллайдер”, который я в течение десяти лет вел на научно-популярном портале “Элементы большой науки”, elementy.ru. Читатель сможет найти там подробный рассказ о технических аспектах коллайдера, о связанных с ним происшествиях и об устранении их последствий, а также обзоры научных результатов и изложение планов на будущее. Отмотав ленту новостей коллайдера на самое начало, на 2008 год, читатель сможет вновь погрузиться в ту будоражащую воображение атмосферу ожиданий, поиска, открытий, разочарований, методичной работы и постепенной реализации планов, которая вот уже второе десятилетие сопровождает работу коллайдера.

Поскольку я тоже долгое время писал научно-популярные материалы по теме книги, мне хотелось бы дополнить материал, изложенный Тонелли, некоторыми комментариями.

К истории возникновения хиггсовского механизма

В своем рассказе о том, как в 1964 году возникла теоретическая идея, названная впоследствии хиггсовским механизмом, Тонелли допускает некоторый исторический перекос. То, как разворачивалась эта история, не вписывается в формулировку “какие‑то молодые люди вдруг предложили идею, которая до тех пор никому не приходила в голову”. В 1964 году эта идея уже витала в воздухе и казалась достаточно естественным развитием теоретических публикаций нескольких прошлых лет.

Пожалуй, ключевой и по‑настоящему новой для физики элементарных частиц идеей стало предложение Йоитиро Намбу перенять из теории сверхпроводимости понятие спонтанного нарушения симметрии. До этого считалось, что если мы видим в мире элементарных частиц нарушение некоторой симметрии, то мы обязаны предложить теорию, в которой эта симметрия тоже нарушена по построению. Намбу же описал альтернативную возможность: мы предполагаем, что исходные законы природы симметричны, но сам микромир, пытаясь организоваться в конфигурацию с минимальной энергией, спонтанно, самопроизвольно нарушает эту симметрию.

Эта идея привела в начале 1960‑х к бурному переосмыслению того, как следует строить теории взаимодействий элементарных частиц, особенно в применении к сильным взаимодействиям, к свойствам адронов, которые тогда выглядели довольно загадочными. В течение нескольких лет теоретическое сообщество в научных статьях и на конференциях обсуждало, как совместить эту идею с теорией относительности. То есть идея витала в воздухе, но никак не удавалось найти ей корректного математического воплощения. В 1964 году бельгийцы Роберт Браут и Франсуа Англер и – чуть позже, но независимо от них – британский физик Питер Хиггс в своих коротких статьях наконец‑то построили нужное описание, по крайней мере для простейших вариантов взаимодействия. По этой причине теоретический механизм, сформулированный в их работах, зачастую называют механизмом Браута-Англера-Хиггса, добавляя иногда еще несколько имен физиков, на чьи идеи опиралась эта тройка.

Необходимо добавить, что ровно те же идеи в несколько ином оформлении были изложены еще в одной статье 1964 года. Ее авторами были трое физиков из лондонского Имперского колледжа: Джеральд Гуральник, Карл Ричард Хаген и Томас Киббл. Собственную версию механизма они построили независимо от Браута, Англера и Хиггса, но, когда статья уже была готова к отправке в научный журнал, они получили оттиски опубликованных статей бельгийцев и Хиггса и поняли, что несколько опоздали. Свою работу они опубликовали, но были вынуждены упомянуть и предшественников.

В 2004 году, когда строительство Большого адронного коллайдера шло полным ходом, Брауту, Англеру и Хиггсу была присуждена премия Вольфа по физике, неофициально считающаяся предвестницей Нобелевской премии. В 2010 году все шесть физиков разделили премию Сакураи, еще один престижный знак отличия в физике элементарных частиц. Наконец, в 2013 году, после открытия бозона Хиггса, Нобелевский комитет решил присудить Нобелевскую премию по физике Франсуа Англеру и Питеру Хиггсу – за теоретическое описание хиггсовского механизма. Роберт Браут ушел из жизни незадолго до этого; будь он жив, он, несомненно, тоже получил бы награду.

Следует добавить, что, независимо от всех перечисленных выше первооткрывателей механизма, ровно те же идеи и примерно в то же время разработали Александр Мигдал и Александр Поляков, в будущем – выдающиеся советские физики-теоретики, а в тот момент – студенты, которым было лишь по 19 лет. В своих воспоминаниях Мигдал рассказывает, что они написали статью и целых два года пытались опубликовать ее в отечественном журнале, но поначалу никто не хотел воспринимать их работу серьезно. Статья вышла в “Журнале экспериментальной и теоретической физики” лишь в 1966 году, когда, как говорится, поезд уже ушел, да и на Западе она долгое время была неизвестна. Тем не менее в сопроводительных материалах к премии 2013 года Нобелевский комитет воздает должное статье Мигдала и Полякова.

В своем описании событий 1964 года Тонелли допускает еще одно чрезмерное упрощение: он говорит, что после работ Хиггса и бельгийцев стало ясно, как возникает спонтанное нарушение симметрии электрослабого взаимодействия. Здесь несколько смазана последовательность событий. В 1964 году теории электрослабой симметрии еще не существовало, это более поздняя конструкция. И бельгийцы, и Хиггс строили свою теорию для очень упрощенного примера взаимодействий, а не для реалистичной ситуации. Мало того: гораздо более плодотворной выглядела в то время идея применить спонтанное нарушение симметрии к свойствам адронов – ведь кварковая структура адронов тогда только-только выходила на арену и не была общепринятой. Лишь несколько лет спустя, после построения теории электрослабых взаимодействий и включения в нее кварков и лептонов, стало отчетливо ясно, что хиггсовский механизм должен играть в ней ключевую роль.

Более подробную историю возникновения хиггсовского механизма и ссылки на исторические материалы можно найти в научно-популярной статье Иванов И. Нобелевская премия по физике — 2013. Элементы. ру, 10.10.2013.

Когда эта книга готовилась к печати, из Эдинбурга пришло печальное известие о кончине Питера Хиггса. Подробнее о жизни и работе скромного британского физика, ставшего мировой знаменитостью против своей воли, можно прочитать в научно-популярной статье Левин A. Тихий физик из Эдинбурга: памяти Питера Хиггса. Элементы. ру, 15.04.2024. Заинтересованному читателю можно также порекомендовать биографические книги о жизни Питера Хиггса (Frank Close. Elusive: How Peter Higgs Solved the Mystery of Mass. Basic Books, 2022) и Франсуа Англера (Losman D. Il n’est sagesse sans folie. La vie singulière de François Englert. Académie royale de Belgique, 2023).

Как обстоят дела в хиггсовской физикепо состоянию на 2024 год

Открытие бозона Хиггса в 2012 году ознаменовало собой не только кульминацию почти полувековых поисков этой уникальной частицы, но и начало новой эпохи в физике элементарных частиц – эпохи хиггсовских исследований. Нам открылась совершенно новая грань нашего мира, и физики, радостно потирая руки, принялись ее изучать. Популярный рассказ о состоянии физики частиц в тот знаменательный момент можно найти в новости Иванов И. Хиггсовский бозон: открытие и планы на будущее. Элементы. ру, 16.07.2012.

Рассказ Тонелли оканчивается 2015 годом: восторг открытия улегся, уступив место планомерной работе по изучению свойств хиггсовского бозона, попыткам обнаружить с его помощью какие‑то новые законы мироздания, получить прямые намеки на Новую физику. Кратко опишу, что произошло в этой области исследований за прошедшее десятилетие.

Изучение свойств бозона Хиггса подразумевает целый комплекс измерений. Эта частица исключительно нестабильна и спустя кратчайшую долю секунды после своего рождения в протонных столкновениях она превращается в более легкие и стабильные частицы. Однако распадаться она может на разные наборы конечных частиц, и каждый из ее каналов распада имеет четко определенную вероятность. Теоретики могут эти вероятности сосчитать в рамках Стандартной модели, а также в рамках разнообразных теорий Новой физики, а экспериментаторы могут их измерить. Чем больше событий рождения и распада бозона Хиггса задетектировано, тем точнее окажутся экспериментальные измерения и тем надежнее можно будет делать выводы о справедливости предсказаний Стандартной модели или об отклонениях от нее. Кроме того, процесс возникновения бозона Хиггса тоже может протекать по‑разному; все характеристики для любого канала его рождения можно с некоторой точностью вычислить теоретически и измерить в эксперименте. Наконец, для каждой конкретной комбинации рождения и распада бозона можно изучать распределения числа событий по энергиям или углам вылетевших частиц – и тоже сравнивать результаты с предсказаниями теории.

В течение последнего десятилетия из сотен таких исследований постепенно складывался “портрет” хиггсовской частицы. По мере того как накапливались данные и более прозорливыми становились методы их анализа, по мере появления новых идей и теоретических расчетов этот “портрет” становился все более отчетливым, в него добавлялись новые штрихи, исчезали белые пятна.

Работа Большого адронного коллайдера организована в многолетние сеансы, чередующиеся техническими паузами на ремонт и модернизацию. Первый сеанс набора данных, LHC Run 1, закончился в 2012 году, но полученные данные анализировались еще несколько лет. С 2015 по 2018 год прошел второй сеанс работы LHC Run 2 на повышенной энергии протонных столкновений, в ходе которого было собрано значительно больше данных. В 2022 году, после многолетней паузы, усугубленной, в частности, пандемией и ее ограничениями, стартовал рабочий сеанс Run 3. Результаты по хиггсовскому бозону, которые появляются сейчас, в 2024 году, в основном базируются на огромной статистике Run 2, иногда с добавкой прошлогодних данных.

В 2012–2015 годах, когда шла обработка данных Run 1 и все хиггсовские измерения еще обладали большими погрешностями, появились намеки на то, что свойства бозона Хиггса заметно расходятся с ожиданиями Стандартной модели. Каналы рождения и распада были ожидаемыми, но их вероятности, казалось, отличаются от стандартных. Более того, в 2015 году появились намеки на то, что бозон Хиггса может иногда распадаться на две разные частицы (мюон и тау-лептон), что в рамках Стандартной модели совершенно невозможно.

Любопытно, что намеки на отклонения появлялись не только в свойствах бозона Хиггса, но и в иных процессах рождения и распада частиц. В какой‑то момент таких намеков набралось свыше десятка, и у теоретиков разбегались глаза от выбора того, какие из них попробовать описать в рамках многочисленных моделей Новой физики. Надо, впрочем, подчеркнуть, что ни одно из отклонений не выглядело “железобетонным” открытием: погрешности были велики, и статистическая достоверность отклонения была недостаточной для того, чтобы экспериментаторы смогли заявить об однозначном открытии новых явлений. Однако среди теоретиков царило воодушевление: казалось, еще немного – и прекрасная Новая физика будет открыта. Эта ситуация (вместе с описанием каждого интересного отклонения) отражена на специальной странице “Загадки Большого адронного коллайдера: октябрь 2015” в тематическом проекте Элементы. ру.

А затем пошли первые данные сеанса Run 2 – и они стали безжалостно закрывать одно за другим обнаруженные ранее отклонения. Количество зарегистрированных событий резко возросло, погрешности уменьшились. Детекторы прошли апгрейд, точность их измерений возросла. Одновременно с этим совершенствовались и методы анализа данных, в них все более широко использовались нейронные сети и передовые методы машинного обучения. В книге Тонелли, кстати, описано самое начало активного внедрения этих методик: он упоминает многомерный анализ данных, на который начинают опираться молодые сотрудники, но высказывает опасения, что при таком сложном анализе есть риск потерять контроль над тем, что вы делаете. Сейчас, после десятилетия бурного развития, применение глубоких нейронных сетей в анализе коллайдерных данных стало нормой – и это, признаюсь, затрудняет для теоретиков понимание того, что же скрывается за тем или иным анализом.

Как бы то ни было, по мере появления все новых данных сеанса Run 2 становилось все яснее, что измеренные свойства бозона Хиггса согласуются с предсказаниями Стандартной модели в пределах десятка процентов. Фейерверка новых громких открытий, на который физики надеялись еще за несколько лет до этого, не случилось. Стандартная модель по‑прежнему дает наилучшее описание всей совокупности многих тысяч измерений в мире элементарных частиц, которые мы накопили к нынешнему моменту. В 2022 году, когда ЦЕРН отмечал десятилетие открытия бозона Хиггса, коллаборации ATLAS и CMS представили обзоры своих хиггсовских результатов за это время. Популярный очерк состояния дел в хиггсовской физике в 2022 году можно найти в новости Иванов И. Бозону Хиггса — 10 лет. Элементы. ру, 01.07.2022.

Незачем скрывать, что, на фоне завышенных ожиданий теоретиков, удручающе стандартный портрет бозона Хиггса стал для многих настоящим разочарованием. Но значит ли это, что Стандартная модель окончательно доказана и никакой Новой физики нет? Ни в коем случае. Уже давно понятно, что Стандартная модель не способна объяснить темную материю и происхождение наблюдаемого нами во Вселенной столь разительного дисбаланса между материей и антиматерией. Эти вопросы неизбежно относятся к миру элементарных частиц, и, раз Стандартная модель пасует перед ними, обязан существовать новый, более глубокий пласт реальности, на котором и найдутся эти ответы. Кроме того, даже внутри Стандартной модели есть загадки – например происхождение массы нейтрино или нарушение CP-четности, – которые требуют Новой физики. Поэтому в том, что Новая физика существует, сомнений нет. Вопрос лишь, при каких энергиях столкновений мы смогли бы увидеть прямые ее проявления.

Не исключено, что мы найдем свидетельства новых явлений на Большом адронном коллайдере, но чуть позже. Надо сказать, что сейчас, в 2024 году, маятник настроения теоретиков снова качнулся в сторону воодушевления. Появились новые намеки на экзотические частицы, возможно, на новые бозоны Хиггса с необычными свойствами. В отличие от ситуации десятилетней давности, эти намеки выдает нынешний коллайдер, обновленный и возмужавший, да и методы анализа данных сейчас куда прозорливее, чем в первые годы работы. Нынешний сеанс LHC Run 3 должен внести ясность в эту картину. Помимо того, график работы Большого адронного коллайдера расписан до 2042 года и ожидается, что к тому времени будет накоплено в 10–20 раз больше данных, чем сейчас. Так что мы пока находимся в начале пути, и не исключено, что коллайдер еще получит свою Нобелевскую премию по физике за обнаружение новых бозонов Хиггса или иных принципиально новых явлений.

Ожидания и реальность

В своей книге Тонелли описывает еще несколько потенциальных физических открытий и достижений, вызывавших в 2015 году воодушевление. Кратко прокомментирую, как изменилась ситуация за прошедшее время.

Прежде всего, хочу подчеркнуть, что связь между хиггсовским полем и космической инфляцией, которую автор упоминает в прологе и к которой возвращается в середине десятой главы, – довольно‑таки призрачна. Она вовсе не считается “мейнстримом”, основной рабочей гипотезой физиков. Хиггсовское поле, несомненно, играло важную роль в эволюции ранней Вселенной. Электрослабый фазовый переход, сопровождавшийся “переформатированием” всех существовавших тогда частиц, скорее всего, действительно произошел спустя крошечную долю секунды после Большого взрыва. Вполне возможно, что этот фазовый переход сыграл свою роль и в возникновении дисбаланса между веществом и антивеществом – хотя по этому поводу продолжаются дискуссии, поскольку без Новой физики тут уже не обойтись. Не исключено даже, что хиггсовский механизм как‑то причастен и к появлению и стабилизации темной материи – но тут же надо оговориться, что это лишь одна из многих теоретических гипотез. Все эти космические проявления хиггсовского поля – или нескольких хиггсовских полей – вполне активно обсуждаются в литературе по физике элементарных частиц. Но вот связь хиггсовского поля с гравитацией, с инфлатоном – уже из разряда более экзотических гипотез. Да, есть знаменитые работы на эту тему, однако они опираются не только на хиггсовское поле само по себе, но и на определенную модификацию самой гравитации. Это, в некотором смысле, “гипотеза в квадрате”. Посетите любую научную конференцию по свойствам хиггсовских бозонов и обратите внимание на первые слайды обзорных докладов. В них вы встретите многочисленные примеры того, зачем изучать хиггсовские бозоны, но вот связи с гравитацией вы почти наверняка не увидите. Эта очень гипотетическая связь – вовсе не главная движущая сила хиггсовских исследований.

Ситуация с суперсимметрией – еще одной темой, которая проходит через всю книгу, – несколько иная. Двадцать лет назад, когда полным ходом шло строительство Большого адронного коллайдера, возникшие за четверть века до этого суперсимметричные теории были исключительно популярным направлением в физике элементарных частиц за пределами Стандартной модели. Десятки исследовательских групп, сотни физиков-теоретиков работали над построением конкретных моделей и над расчетами предсказаний для коллайдера. Научное сообщество находилось в состоянии возбужденного ожидания, и многие теоретики готовились к тому, что открытия суперсимметричных частиц посыплются в первые же месяцы, даже недели полноценной работы LHC.

Однако шли годы, коллайдер накапливал статистику рекордными темпами, коллаборации ATLAS и CMS отчитывались о десятках, а затем – сотнях поисков проявлений суперсимметричных частиц, но никакого открытия не случалось. Это, конечно, не закрывает саму идею суперсимметрии; может быть, она действительно реализуется нашей Вселенной, просто ее проявления заметны лишь при очень больших энергиях, недоступных нынешним коллайдерам. Однако в таком случае теряется изрядная доля привлекательности суперсимметричной теории – ведь в самой естественной своей формулировке она как раз и предсказывала новые частицы на LHC.

После отрицательных результатов сеансов Run 1 и, в особенности, Run 2 энтузиазм по поводу возможного открытия суперсимметрии заметно подостыл. Многие теоретики, занимавшиеся суперсимметричными моделями, переключаются в последние годы на другие задачи. Тем не менее поиски тех или иных необычных проявлений суперсимметрии на LHC по‑прежнему ведутся. В конце концов, главная задача экспериментатора – проверить все, до чего эксперимент способен дотянуться.

А вот с другим давно ожидавшимся открытием – регистрацией гравитационных волн, дрожи самого пространства-времени, порожденной далекой космической катастрофой, – ситуация кардинально иная. Тонелли в конце книги кратко описывает работу тандема гравитационно-волновых обсерваторий LIGO и Virgo, которые к тому времени уже прошли несколько стадий апгрейда и были готовы вот-вот поймать первые гравитационно-волновые сигналы от слияния черных дыр в далеких галактиках. Автор не поскупился на эпитеты, окрестив грядущее открытие “великим событием в истории науки”, которое “положит начало новому разделу астрономии”.

И эти громкие слова полностью оправданы. Первый всплеск гравитационных волн, пришедший от слияния черных дыр на расстоянии свыше миллиарда световых лет от нас, был зарегистрирован 14 сентября 2015 года, и это событие одним махом расширило возможности астрономии и астрофизики. “Немое космическое кино” обрело звучание: если до этого человечество лишь наблюдало за далекими галактиками в разных диапазонах излучений, то теперь мы “услышали” звучание космоса и нам открылся недоступный ранее мир невидимых вселенских катастроф. Единомоментно были сделаны три открытия нобелевского уровня: зарегистрированы гравитационные волны, предсказанные Эйнштейном за век до этого; доказано, что черные дыры с массами в десятки солнечных масс существуют и сливаются друг с другом не так уж редко; в арсенале ученых впервые появился инструмент по прямой проверке эффектов сильной гравитации. В 2017 году Нобелевская премия по физике была присуждена Райнеру Вайссу, Кипу Торну и Барри Бэришу с формулировкой “за решающий вклад в создание детектора LIGO и регистрацию гравитационных волн”. Подробнее про само открытие и про долгий путь к нему можно прочитать в научно-популярных новостях Иванов И. Гравитационные волны – открыты! Элементы. ру, 11.02.2016 и Иванов И. Нобелевская премия по физике — 2017. Элементы. ру, 13.10.2017.

Сейчас гравитационно-волновая астрономия стала важнейшим разделом науки о космосе, составляющей комплексного подхода к изучению космических объектов, который получил название многосигнальной, или многоканальной, астрономии. К настоящему моменту зарегистрировано свыше сотни слияний черных дыр друг с другом и даже пойманы сигналы от слияния нейтронных звезд, видимых также и в разных диапазонах электромагнитных волн. Получены важнейшие результаты по астрофизике, по космологии, по физике элементарных частиц – ведь вещество внутри нейтронных звезд находится в совершенно экстремальных, нигде более не достижимых условиях.

Гравитационные волны от слияния черных дыр или нейтронных звезд колеблются довольно быстро, их период составляет сотые доли секунды. Но в июле 2023 года появилось сообщение о регистрации гравитационных волн совсем другого типа: очень медленных, с периодом в несколько лет. Результат, пусть пока и предварительный, был получен международным консорциумом обсерваторий International Pulsar Timing Array, и ведущую роль в нем сыграла коллаборация NANOGrav, в течение 15 лет наблюдавшая за сигналами от далеких пульсаров – сверхстабильных космических “секундомеров”. Происхождение этих гравитационных волн еще предстоит прояснить.

Наконец, полным ходом идет работа над созданием сразу нескольких гравитационно-волновых обсерваторий, которые в 2030‑х годах будут запущены в космос. Это американская установка LISA, китайская обсерватория TianQin и японский проект DECIGO. Там, вдали от земных шумов и колебаний, эти обсерватории будут ловить гравитационные волны с периодами от долей секунды до нескольких часов. Любопытно, что они позволят узнать нечто совершенно новое и о хиггсовском поле, – о том, как протекал электрослабый фазовый переход в ранней Вселенной, через какие промежуточные стадии проходил “горячий вакуум” спустя миллиардную долю секунды после Большого взрыва. Если гравитационно-волновой сигнал от глобальной перестройки ранней Вселенной действительно будет обнаружен, это станет еще одним впечатляющим мостиком, неразрывно соединяющим мир элементарных частиц и жизнь всей Вселенной в целом. Возможно, он поможет нащупать Новую физику.

Возвращаясь к собственно физике хиггсовского бозона, стоит обновить и информацию относительно проектов “фабрики хиггсовских бозонов”, то есть будущего электрон-позитронного коллайдера, призванного с высочайшей точностью измерить все свойства открытой десятилетие назад частицы. Проект Международного линейного коллайдера ILC длиной в десятки километров давно готов, и технологии, необходимые для его реализации, уже продемонстрированы, но начало работ упирается в экономические препятствия. Предполагалось, что коллайдер будет базироваться в Японии, где, несмотря на неспокойную в целом сейсмическую ситуацию, для него было найдено прекрасное, надежное место размещения. В течение нескольких лет научное сообщество ожидало от японского правительства решения о начале строительства, однако оно так и не было озвучено. В марте 2019 года Япония в достаточно обтекаемой формулировке дала понять, что не готова вкладывать миллиарды долларов в этот проект, хотя вообще‑то очень хотела бы поддержать реализацию коллайдера где‑либо в мире. Возможно, если бы ЦЕРН и международное сообщество в физике элементарных частиц гарантировали свой многомиллиардный вклад в строительство установки, Япония бы и “дала зеленый свет”, но это сообщество само ждет финансовые гарантии от Японии. В настоящее время ищутся варианты выхода из сложившегося финансово-административного тупика, и, хотя многие специалисты настроены не слишком оптимистично, от проекта ILC еще не отказались.

Проект циклического мега-коллайдера FCC в ЦЕРН выглядит более жизнеспособным. Работа над технологиями для нового поколения магнитов идет вот уже несколько лет и, несомненно, продолжится. Многотомный технический проект коллайдера был обнародован в начале 2019 года; в нем, в частности, сообщалось, что начать работу следует с электрон-позитронной версии FCC-ee и лишь спустя много лет переходить к протонным столкновениям. При таком поэтапном сценарии работа FCC продлится примерно до 2080‑х годов – для подобных колоссальных научных проектов горизонт планирования может составлять полвека и более! Параллельно идет работа над альтернативными вариантами хиггсовской фабрики. Инновационный линейный коллайдер CLIC должен быть компактнее, чем ILC, но требует развития и демонстрации новых технологий. Давно уже предлагается и совершенно иная установка: мюонный коллайдер, в котором вместо электронов и позитронов будут сталкиваться мюоны и антимюоны высоких энергий. Несмотря на то, что мюоны нестабильны, физики уверены, что успеют произвести их в нужных количествах, ускорить до сверхвысоких энергий и столкнуть до того, как они распадутся. Проект, однако, упирается в технические трудности – прежде всего в технологию охлаждения и фокусировки мюонных пучков.

Все перечисленные проекты обсуждаются с прицелом на их строительство в ЦЕРН. Конечно, все их реализовать не получится: при бюджете в миллиарды швейцарских франков денег хватит от силы на один. Но какой из них? Несколько лет назад, когда формировалась Европейская стратегия в физике частиц на 2020–2026 годы, главным приоритетом оставался LHC, но среди важных целей фигурировали и работы по реализации хиггсовской фабрики. Возможно, через пару лет при обсуждении стратегии развития физики частиц на следующий период будет принято четкое решение в пользу одного из вышеперечисленных проектов. Но это произойдет, только если научное сообщество вообще решится вкладываться сейчас в новый коллайдер; к сожалению, глобальные события последних лет оставляют этот вопрос в подвешенном состоянии.

Китайский проект циклического электрон-позитронного коллайдера CEPC тоже не стоит на месте. В самом конце 2023 года был опубликован технический проект коллайдера, однако “добро” на его строительство от правительства Китая пока не получено. Проект CEPC тоже заявляется как международный, и китайское коммьюнити, несомненно, будет горячо приветствовать вклад зарубежных коллег и компаний. Однако при необходимости Китай будет готов начать работу над его реализацией и своими силами. Поскольку планирование крупных проектов в Китае хронологически привязано к пятилетним планам и нынешняя, четырнадцатая, пятилетка продлится до 2025 года, новости по поводу готовности Китая строить CEPC следует ожидать ближе к концу 2025‑го.

В конце 2021 года в игру вступили и США со своим проектом линейного электрон-позитронного коллайдера C^3 (Cool Copper Collider). Предложение было приурочено к обновленной стратегии развития американской физики частиц, однако какого‑либо решения по поводу строительства этой установки еще не принято. Наконец, в еще более далекой перспективе обсуждается и совершенно иной тип ускорителей, в которых частицы будут разгоняться до высоких энергий сверхсильным электрическим полем внутри ячейки с плазмой. Работоспособность такой удивительной схемы уже продемонстрирована: физики сумели ускорить электроны до энергий порядка ГэВ на дистанции меньше метра. Но удастся ли масштабировать установку до сотен метров и энергий в сотни ГэВ – пока неизвестно.

Дополнительные подробности о планах научного сообщества касательно хиггсовской фабрики можно найти в популярных материалах: Иванов И. Куда двигаться коллайдерной физике в следующем десятилетии? Элементы. ру, 20.08.2018 и Левин А. Владимир Шильцев о том, как изменится ускорительная физика в ближайшие десятилетия. Элементы. ру, 20.06.2019.

В целом, несмотря на очевидные трудности, кажется вполне вероятным, что хиггсовская фабрика, в том или ином виде, будет реализована и вступит в строй ориентировочно через десять лет. Физики глядят в будущее с осторожным оптимизмом и ожидают, что – благодаря LHC, новым коллайдерам, будущим гравитационно-волновым обсерваториям и другим физическим и астрофизическим установкам – 2030–2040‑е годы станут золотым веком в изучении хиггсовского бозона и, возможно, Новой физики.

Примечания

1

Фамилию бельгийского физика Франсуа Англера в русскоязычной прессе часто ошибочно транслитерируют как Энглер. – Здесь и далее примечания переводчика, если не указано иное.

2

Торжественная церемония награждения Нобелевскими премиями проходит в Стокгольмском концертном зале.

3

ЦЕРН – CERN, Европейская организация по ядерным исследованиям.

4

Автор здесь пользуется весьма распространенным среди популяризаторов, но не совсем корректным с точки зрения современной физики риторическим приемом. Конечно, в системе отсчета Земли или даже Солнечной системы расстояние между ней и Землей составляет 1 800 св. лет, так что, формально говоря, фотонам действительно требуется 1 800 лет, чтобы достичь поверхности Земли. Но утверждать, будто какие‑то события на звезде Садр (излучение определенного фотона) и на поверхности Земли (взятие Рима варварами) произошли одновременно, все же нельзя, так как наблюдателям в разных системах отсчета покажутся одновременными разные события. Не будем забывать о теории относительности!

5

Отметим, что у физиков (а в еще большей степени у современных философов) представления на этот счет расходятся. Есть те, кто, в отличие от Тонелли и его единомышленников, полагает, что Большой взрыв начинается после инфляции; другие, среди них и Тонелли, считают инфляцию первой фазой Большого взрыва; по мнению же третьих, теория инфляции заменила собой теорию Большого взрыва.

6

Имеются в виду те теории (третьи в предыдущей сноске), в которых медленному расширению Вселенной не предшествует инфляционная фаза.

7

Сказанное относится только к случаю, когда сама частица – фермион, а следовательно, частица-суперпартнер – бозон. Если частица – бозон, а ее суперпартнер – фермион, то добавляется суффикс – ино. – Прим. науч. ред.

8

Наименование “нейтралино” подчеркивает, что эта частица – фермион и что она выступает суперпартнером нейтральным бозонам Стандартной модели, таким как бозон Хиггса или Z-бозон. – Прим. науч. ред.

9

Заголовком этой части служат заголовок и первая строка стихотворения Ирэны Пагануччи:

“И все‑таки

Что‑то должно быть возможно:

высажу по кусту розы

в начале каждой шпалеры —

от лоз отведу болезни

да зло отведу от жизни”.

(Перевод Дмитрия Манина)

При этом в итальянском оригинале стихотворения в заголовке использовано то же “и все‑таки” (eppure), что в знаменитом “и все‑таки она вертится” Галилея.

10

О регистрации коллаборациями LIGO и Virgo 14 сентября 2015 г. гравитационных волн было объявлено 11 февраля 2016 г., то есть уже после выхода в свет итальянского оригинала этой книги.

11

Намек на музыкальный фильм Марчелло Джанини “Ребята хали-гали”, снятый в 1964 г.

12

В программе описываемых мероприятий выступление Франсуа Англера не значится; он участвовал в работе конференции в качестве гостя. – Прим. науч. ред.

13

“Спрятанные дети” (фр.). Так называли еврейских детей, укрывавшихся в семьях на оккупированных территориях Бельгии и Франции во время Второй мировой войны. Название получило полуофициальный статус после встречи таких детей в 1992 г. в Нью-Йорке. В 1999 г. их статус был в Бельгии узаконен королевским указом и их приравняли к жертвам войны.

14

Роберт Браут, как и Англер, из еврейской семьи, но родом из США. В 1961 г. он переехал в Бельгию и принял бельгийское гражданство.

15

Джоди Уильямсон приехала в Эдинбургский университет в 1958 г. для учебы в аспирантуре, где и познакомилась с Питером Хиггсом. Джоди умерла 3 февраля 2008 г.

16

Строго говоря, этих частиц три: Z-бозон электрически нейтрален (Z тут обозначает zero – нуль) и является античастицей по отношению к самому себе, W-бозонов два (W тут обозначает weak – слабый) – W+ и W-. Их электрические заряды равны зарядам позитрона и электрона, и они, так же, как позитрон и электрон, являются античастицами по отношению друг к другу.

17

А точнее, сильного и электрослабого – ведь при высоких энергиях электромагнитное и слабое взаимодействия уже объединены. – Прим. науч. ред.

18

Детекторы элементарных частиц делятся на два больших класса: калориметры, которые полностью поглощают частицу, измеряя ее энергию, и трековые камеры, делающие видимой ее траекторию.

19

Гигаэлектронвольт (сокращенно ГэВ; 1 ГэВ = 10^9 эВ) – единица измерения энергии или массы (что по сути одно и то же в силу самого известного уравнения Эйнштейна E = mc^2), наиболее часто используемая в физике элементарных частиц. Для более высоких энергий используется также ТэВ (тераэлектронвольт), 1 ТэВ = 1 000 ГэВ = 10^12 эВ. – Прим. автора.

20

Особенность гелия в том, что при атмосферном давлении он кипит при самой низкой из всех веществ температуре, а в твердую фазу может перейти только при давлении выше 25 атмосфер.

21

“Частица Бога: если Вселенная – это ответ, то каков был вопрос?”. На русский язык книга не переводилась.

22

Физики-экспериментаторы, работающие на ускорителях, используют единицу измерения “коллайдерный год”, которая составляет 10 млн секунд, что равно примерно трети (точнее, 1/π) календарного года. – Прим. науч. ред.

23

Статья Ибена Харрела Collider Triggers End-of-World Fears была опубликована в журнале Time 4 сентября 2008 г.

24

С каждой частицей вещества (фермионом) или излучения (бозоном) связана, согласно квантовой механике, волновая функция; ее длина называется также дебройлевской.

25

Сила магнитного поля определяется его индукцией, которая в Международной системе единиц СИ измеряется в теслах. В магнитном поле индукцией в 1 Тл на каждый метр прямого проводника, расположенного перпендикулярно полю, при протекании вдоль него тока силой в один ампер действует сила в один ньютон. Для сравнения, магниты в медицинских установках МРТ создают магнитное поле в 1–1,5 Тл.

26

В русскоязычной литературе имя этого швейцарского физика часто ошибочно передается как Питер Джейнни.

27

Настоящее имя этого ученого китайского происхождения – 丁肇中, в соответствии с правилами русской транслитерации китайских иероглифов оно должно читаться как Дин Чжаочжун. Родившись в Америке, он еще младенцем был увезен родителями в Китай. Вернувшись в США уже во взрослом возрасте, он стал там известен как Сэмюэл Тинг.

28

Группа Тинга одновременно с группой Бертона Рихтера экспериментально обнаружила J/ψ мезон, состоящий из очарованных кварка и антикварка, о чем обе группы объявили в один день, 11 ноября 1974 г. Существование четвертого кварка, комплементарного странному, было предсказано Шэлдоном Глэшоу в 1970 г.; он же назвал его очарованным.

29

Tex Willer – центральный персонаж серии комиксов, запущенной в 1948 г. Джованни Луиджи Бонелли и Аурелио Галлеппини.

30

Итальянская комедия 1966 г. Выражение “Армия Бранкалеоне” в Италии и сегодня используется для определения группы неорганизованных и плохо экипированных людей.

31

Имеется в виду сам собор – то есть без башен и шпиля.

32

Детектор и, соответственно, работающая с ним коллаборация A Large Ion Collider Experiment. Их основная цель – изучение процессов столкновения ультрарелятивистских тяжелых ионов.

33

У Сюлань (吳秀蘭) начала учиться в Вассарском колледже в 1960 г. Колледж перестал быть женским учебным заведением в 1969‑м, и туда стали принимать молодых мужчин и женщин на равных основаниях.

34

Для этого, по этому случаю (лат.).

35

Оперативная группа (англ.).

36

Мозговой штурм (англ.).

37

Зд.: Пасхальный пупырь (англ.).

38

Протоны – составные частицы. Внутри каждого протона, летящего с околосветовой скоростью, можно с некоторой вероятностью встретить и кварки, и антикварки, и глюоны, и даже тяжелые W– и Z-бозоны. Поэтому когда речь идет о рождении новой частицы в столкновении двух протонов на LHC, необходимо уточнить, в каком именно подпроцессе она появляется. Именно эти возможные подпроцессы для рождения бозона Хиггса автор и перечисляет. – Прим. науч. ред.

39

По-русски используются альтернативные названия: бьюти-кварк, прелестный кварк или красивый кварк.

40

Имеется в виду XXV Международный симпозиум по лептон-фотонным взаимодействиям при высоких энергиях (The XXV International Symposium on Lepton Photon Interactions at High Energies), проходивший в Мумбае (Индия) с 22 по 27 августа 2011 г.

41

Верификация и валидация – две разновидности контроля, различие между которыми довольно существенное, хотя и не всегда понятное. Верификация подтверждает результат эксперимента, а валидация подтверждает, что эксперимент позволяет судить об исследуемом явлении.

42

Нагромождение (англ.).

43

О господи (англ.).

44

Фильтрационный зал (англ.).

45

4 июля в США отмечается День независимости (Independence Day). Higgs-Dependence Day созвучно Independence Day примерно в той же логике, в какой Ig Noble (Шнобелевская премия) созвучно Ignoble – невежественный, презренный.

46

Стоит все же подчеркнуть, что масса любых частиц, как фермионов (кварков и лептонов), так и бозонов (W– и Z-бозонов прежде всего), возникает благодаря их сцеплению с хиггсовским полем, которым наполнена Вселенная. Отдельный бозон Хиггса – частица исключительно нестабильная и не играет никакой роли в возникновении масс у частиц. – Примеч. науч. ред.

47

В официальном английском переводе, опубликованном на сайте Нобелевского комитета, фраза звучит так: …to the person who made the most important discovery or invention in the field of physics. Если считать, что это правило предполагает, что лауреат должен быть только один, то оно было нарушено уже на второй год существования премии: в 1902 г. Нобелевская премия по физике была вручена Хендрику Антону Лоренцу и Питеру Зееману. Норма, позволяющая присуждать премию до трех (но не более трех!) ученых, приведена в списке поправок без указания даты.

48

Предложенное автором красочное описание следует воспринимать лишь как очень схематичный набросок того, как в принципе мог бы выглядеть электрослабый фазовый переход в ранней Вселенной. Реальная картина прояснена еще не до конца, но она, скорее всего, куда более сложна и более богата на явления. – Прим. науч. ред.

49

Сексуальная привлекательность (англ.).

50

Тут у автора несколько нарушена логика: совершенно очевидно, что он собирался написать: “В тех вселенных, где они другие, нет нужного времени на появление живых существ…” и т. д. по тексту.

51

По состоянию на середину 2023 г. было введено в строй 18,7 км и потрачено 3 млрд 739 млн евро.

52

В действительности стоимость проекта составила 9,66 млрд долларов, а вывод обсерватории на орбиту состоялся 25 декабря 2021 г.

53

Автор, несомненно, преувеличивает наивность и Рёнтгена, и первопроходцев лазерной физики. – Прим. науч. ред.

54

В марте 2022 г. специальная правительственная комиссия Японии рекомендовала “отложить” этот проект на неопределенное время из‑за его недостаточного международного финансирования.

55

Сейчас прогноз изменился: даже если в 2024 г. решение “отложить” строительство ускорителя будет отменено, его удастся начать только к 2030‑му, а запустить ускоритель – к 2041‑му.

56

За прошедшее с момента выхода книги время планы существенно скорректировались: к 2023 г. удалось только начать предстроительный период, который продлится до 2025 г. За это время надо, в частности, выбрать местоположение будущего ускорителя: Циньхуандао – лишь один из шести “кандидатов”. Собственно строительство должно начаться в 2026‑м, а к проведению первых экспериментов ускоритель должен быть готов к концу 2033‑го.

57

Французская настольная игра, придуманная в 1957 г. В Италии известна под ее немецким названием Risiko.

58

Большой адронный коллайдер на высокой светимости (англ.). Эти планы сейчас перенесены на 2040–2042 гг.

59

Под “заключительным отчетом” автор подразумевает обновленный вариант Европейской стратегии в области физики частиц, который был подготовлен к 18 декабря 2018 г. и одобрен в июне 2020‑го. Этот вариант предусматривает 35‑летние циклы создания и эксплуатации FCC-ee на первом этапе и FCC-hh – на втором. В дальнейшем предполагается реконструкция FCC-hh в гибридный вариант FCC-eh, пригодный для ускорения и протонов, и электронов (позитронов).

60

Ги Консолманьо сменил Хосе Габриеля Фунеса на посту директора Ватиканской обсерватории в сентябре 2015 г.

61

Ватиканский телескоп передовых технологий (англ.).

62

По-русски Башню ветров также часто называют Григорианской башней. Она расположена над Галереей географических карт, соединяющей Бельведер с Апостольским дворцом в Ватикане.

63

Миссия DES началась в августе 2013 г. и завершилась 9 января 2019‑го.

64

За время выполнения проекта был составлен каталог из 691 млн объектов, 543 млн из которых были классифицированы как галактики и 145 млн – как звезды.

65

Звезда с пульсирующими радиосигналами (англ.).

66

Обсерватория гравитационных волн с лазерным интерферометром (англ.).

67

Дева (лат.).

68

Автор называет Галилея пизанским ученым, так как Галилей родился в городе Пизе. Однако на момент открытия он работал в Падуанском университете на территории Венецианской республики. Открытые им звезды он назвал Медицейскими в честь семьи Медичи, великих герцогов Тосканы. Вскоре после этого он стал придворным философом Медичи и переехал во Флоренцию, в то время столицу великого герцогства.

Content

Гвидо Тонелли
Тончайшее несовершенство, что порождает всё. Долгий путь к частице Бога и Новая физика, которая изменит мир

Предисловие научного редактора

Пролог Суета и тревоги по поводу размеров

Глава 1 Ставки сделаны

Улыбка Вольтера

Кварки, глюоны, Большой взрыв и чайные ложки

И стал свет

Остаться в живых в мультиверсуме

Тайна темной материи

Очарование Сьюзи

И все‑таки что‑то должно быть возможно… понять

Глава 2 Ребята шестьдесят четвертого

Им надо многое сказать друг другу

Фермиевское взаимодействие

Рождение Стандартной модели

Дурацкая идея еще одного бывшего пизанского студента

Загадка массы

Великое объединение сил

Имя мечты

Экстраизмерения

В поисках священного Грааля

Глава 3 Вы окончательно рехнулись!

И нобелиаты порой ошибаются

Охота началась

Властелины колец

От Уоксахачи до Большого адронного коллайдера

Детекторы невозможных конструкций

Глава 4 Надежды, страхи, разочарования

Сосиски и черная дыра

Супермикроскопы

Самое холодное место во Вселенной

Ссора с начальством

Кристальное сердце CMS

Момент выбора

Гипермиксер

Ты знаешь, что бозон Хиггса открыли на LEP?

Великий праздник и черная пятница

Глава 5 Окончательное “да”

Волшебное касание Гвидо

Жизнь спикера

Саркози, “Тур де Франс” и “дурацкая затея”

Как поменять стратегию

Жестокие схватки с ATLAS

Дай пять!

Ложные тревоги или эпохальные открытия?

Глава 6 Необычный день рождения

Прекрасный подарок

Ускоренный бег охотников за бозонами

И снова контрастный душ

Только нейтрино нам и не хватало!

Убейте этот сигнал

Глава 7 Семь месяцев, которые потрясли физику

Мороз по коже

В сердце ночи

Сенсационное сообщение

На море в Портовенере

Вслепую

День Хиггс-зависимости

Глава 8 Тайна Вселенной

Мадонна и темная материя

Год элегантных нарядов

У начала Вселенной

Бозон Хиггса и Новая физика

Конец Вселенной

Глава 9 Ворота в будущее

“Это примерно столько же, сколько мы потратили на «Интер» в последнее время!”

Расходы на исследования

Фундаментальные исследования и новые технологии

Вызовы будущего: Япония и Китай

Запад играет в “Завоевание мира”: Европа и США

В погоне за приоритетом

Глава 10 Книга бытия. Версия 2.0

Кардиналы и иезуиты против мультиверсума

А что если мы действительно открыли частицу БОГА?

Великие дела на будущее

Понять секреты далеких катастроф

Эпилог Бонобо, шимпанзе и сверхновые

Благодарности

Послесловие научного редактора

Примечания