Кэти Мак - Конец всего. 5 сценариев гибели Вселенной с точки зрения астрофизики

Ни одно место на Земле не ассоциируется с возможным разрушением космоса так плотно, хотя и совершенно незаслуженно, как ЦЕРН. Дом Большого адронного коллайдера представляет собой обширный кампус, состоящий из лабораторий и офисных зданий, занимающий около шести квадратных километров на границе Франции и Швейцарии недалеко от Женевы. По сути, это специализированный приграничный город с собственным пожарным и почтовым отделением, а также лабораториями, механическими цехами и фабрикой по производству антиматерии. Физики из ЦЕРНа начали ускорять и сталкивать протоны еще в 1950-х годах, задолго до создания ускорителя БАК, в ходе проведения сложных экспериментов по изучению природы субатомных частиц. Эти эксперименты помогли создать Стандартную модель физики элементарных частиц, и на протяжении более пятидесяти лет нам так и не удалось обнаружить в ней каких бы то ни было пробелов.

Но сотрудники ЦЕРН продолжают поиски. И не только потому, что разбивать частицы вдребезги довольно весело.

Самое важное в подобных экспериментах – энергия. Чем сильнее вы разгоните частицы перед столкновением, тем более высокой энергии достигнете и тем больший диапазон новых аспектов физики будет вам доступен. Энергия столкновения напоминает некое платежное средство, которое можно обменять на массу частицы по курсу E = mc 2. Если полная энергия столкновения превышает эквивалентную массу частицы, какую вы пытаетесь создать, то у вас есть шанс добиться успеха при условии, что ваша теория допускает какое-либо взаимодействие между этой частицей и теми, которые вы сталкиваете. Расширения Стандартной модели, как правило, предусматривают гораздо более тяжелые частицы по сравнению с обнаруженными до сих пор, а это значит, что нам нужно достичь более высоких энергий, чтобы их найти. Однако даже если вам удастся достичь нужного уровня, для получения статистически значимого результата вам потребуется создать несколько частиц. Большой адронный коллайдер работал годами, сталкивая бесчисленные триллионы [83] Вероятно, около 10 15 , просто мне не нравится слово «квадриллион». протонов и собирая необходимое количество данных, чтобы ученые могли с достаточной уверенностью объявить об обнаружении бозона Хиггса.

Именно из-за этой постоянной гонки ЦЕРН приобрел зловещую репутацию экзистенциальной угрозы. Принято считать, что если человечество еще никогда не достигало такого уровня энергии, сконцентрированной в одном месте, то никто не знает, что может произойти. К основным опасениям относятся те тревожные сценарии, которые мы обсуждали в предыдущих главах, например образование маленьких черных дыр или катастрофический распад вакуума. К счастью, мы можем не тревожиться по поводу описанных до сих пор сценариев просто потому, что уровни энергии, достижимые на ускорителе БАК, совершенно не сопоставимы с теми, которые характерны для столкновений частиц во Вселенной. Однако некоторых особо впечатлительных и далеких от физики людей очень сложно успокоить, несмотря на то что БАК работает, не нанося никакого вреда, уже более десяти лет. На момент моего посещения ЦЕРНа в феврале 2019 года интернет-шутки о том, как БАК открывает портал в другое измерение или переводит Вселенную на «плохие рельсы», были все еще широко распространены.

Сам по себе кампус ЦЕРН ничем не примечателен. Выйдя из сверкающего вестибюля общественной приемной, вы попадете на территорию промышленного предприятия, заполненную множеством невысоких однотипных зданий 1960-х годов с темными металлическими ставнями на окнах. Каждое пронумерованное здание занято лабораторией или исследовательской группой, двери офисов снабжены временными бумажными табличками с именами постоянно меняющихся научных сотрудников. Во всем кампусе едва ли наберется более ста постоянных сотрудников ЦЕРН. Помимо них в лабораториях и офисах центра работают тысячи исследователей со всего мира, проводящих там от недели до нескольких лет в рамках реализации масштабных экспериментов. Проходя по длинным тускло освещенным коридорам, вы можете подумать, что находитесь не в самом известном из мировых экспериментальных центров, а в здании физического факультета обычного университета и наблюдаете, как аспиранты и докторанты набирают какой-то текст в своих ноутбуках или записывают на досках уравнения и рабочие графики.

Однако эта иллюзия нормальности быстро рушится, как только вы узнаете, какие именно эксперименты они проводят.

В ходе своего визита в ЦЕРН я испытала на себе обе крайности этой организации. В некоторые дни я спокойно изучала работы в светлом офисе на втором этаже в отделе теоретической физики, время от времени выходя в кафетерий, чтобы набросать уравнения и поговорить с другими теоретиками о распаде вакуума и моих собственных исследованиях темной материи. В другие дни я надевала каску и спускалась на 100 метров под землю, чтобы посмотреть на 25-метровый цилиндр, заполненный невообразимо сложными инструментами. Экспериментальные установки ЦЕРН относятся к самым совершенным и точным машинам, когда-либо созданным людьми. На протяжении нескольких десятилетий тысячи специалистов занимались их проектированием и сборкой, чтобы однажды суметь выявить крошечные изменения в движениях и энергиях частиц, распадающихся за считаные микросекунды. Между тем теоретики с помощью сложнейших уравнений пытаются понять, что говорят результаты экспериментов о природе космоса. Это безумное место.

В то же время оно чрезвычайно забюрократизированно. Институт работает в соответствии с международными договорами, управляется коалицией из 23 стран и принимает исследователей из всех уголков планеты. Столь широкое сотрудничество обусловлено масштабом и уровнем затрат, однако организационная структура ЦЕРН такова, что будущее центра и любых новых экспериментов зависит не только от научных соображений, но и от международной политики. Во время моего визита самой обсуждаемой темой в кафетерии был не очередной захватывающий результат эксперимента, а серия газетных статей, посвященных возможному созданию так называемого Будущего кольцевого коллайдера (FCC, Future Circular Collider), огромного ускорителя частиц, для которого 27-километровый БАК будет выступать в качестве предварительного ускорителя, разгоняющего протоны до нужной скорости, прежде чем они начнут циркулировать в кольце FCC. Энергия в ускорителе FCC будет достигать 100 ТэВ, что примерно на порядок выше того уровня, которого можно достичь с помощью БАК.

Как сказала мне Фрейя Блэкман во время моего визита, на подготовку этих экспериментов требуются десятилетия, и столько же времени может уйти на анализ результатов текущих экспериментов, так что обсуждение дальнейшего направления исследований нужно начинать уже сейчас. Полный анализ данных, которые мы уже получаем с помощью БАК, займет еще лет десять или даже пятнадцать. «Так что пришло время решать, – говорит Блэкман. – Какой коллайдер нам нужен? Электрон-позитронный? Линейный или круговой? Каковы преимущества и недостатки каждого из них? Хотим ли мы сразу перейти к более мощной протон-протонной установке?»