Лиза Рэндалл - Достучаться до небес: Научный взгляд на устройство Вселенной

Когда сталкиваются два сгустка из двух циркулирующих по тоннелю пучков, сотня миллиардов протонов из одного пучка сходится «врукопашную» с сотней миллиардов протонов из другого. На квадрупольные магниты возлагается чрезвычайно сложная задача фокусирования обоих пучков именно в тех областях, где должны происходить столкновения и где, соответственно, размещается экспериментальное оборудование для регистрации событий. В этих местах магниты сжимают пучки до крохотной толщины 16 микрон. Пучки и должны быть чрезвычайно тонкими и плотными, чтобы сто миллиардов протонов одного сгустка, проходя сквозь второй сгусток, с как можно большей вероятностью встретились хотя бы с одним из ста миллиардов его протонов.

Большая часть протонов сгустка не увидит встречных протонов на своем пути, несмотря на то что пучки встречаются практически в точке. Индивидуальный протон — это крохотная частица, диаметр которой составляет всего около одной миллионной доли нанометра. А значит, несмотря на то что оба сгустка сжаты до толщины 16 микрон, при каждой встрече двух сгустков всего около 20 протонов испытывают лобовые столкновения со встречными протонами.

На самом деле это очень хорошо. Если бы одновременно происходило слишком большое число столкновений, разобраться в данных было бы трудно. Было бы невозможно понять, какие частицы получились при каком именно столкновении. Но плохо также, если бы столкновений не происходило вовсе. Сфокусировав сто миллиардов протонов в «иглу» именно такой толщины, конструкторы БАКа получили оптимальное число событий на одно столкновение сгустков.

Столкновение двух протонов, если уж оно имеет место, происходит почти мгновенно — за время примерно на 25 порядков меньше секунды. Это означает, что время между группами протонных столкновений практически полностью определяется частотой встречи протонных сгустков, которые в полном рабочем режиме БАКа сталкиваются каждые 25 наносекунд. Иначе говоря, пучки пересекаются больше 10 млн раз в секунду! При такой частоте БАК генерирует громадное количество информации: в среднем за секунду происходит около миллиарда событий. К счастью, промежутки между столкновениями сгустков достаточно велики, чтобы компьютеры могли отслеживать отдельные интересные события, не путая между собой столкновения частиц из разных сгустков.

По существу, исключительные параметры БАКа должны гарантировать одновременно максимальную возможную энергию столкновений и максимальное число событий, которые можно аккуратно отследить. Большая часть энергии бесконечно кружит по тоннелю, и только иногда происходят столкновения, достойные внимания ученых. Несмотря на немалую суммарную энергию пучков, энергия отдельного столкновения сгустков ненамного превышает кинетическую энергию нескольких комаров в полете. Все‑таки здесь сталкиваются протоны, а не футболисты и не автомобили. БАК концентрирует энергию в крохотной области и в таких столкновениях элементарных частиц, за которыми могут следить ученые. Чуть позже мы поговорим о скрытых факторах, которые они надеются обнаружить, и об открытиях о природе вещества и пространства, которые, как надеются физики, будут сделаны в результате этих экспериментов.

Я поступила в аспирантуру в 1983 г., а проект БАКа был официально предложен в 1984 г. Так что в определенном смысле четверть века своей научной деятельности я ждала этот БАК! Теперь, наконец, я и мои коллеги получаем с БАКа данные и можем реально предположить, какие на этом пути нас могут ожидать открытия, к каким результатам в отношении массы, энергии и вещества могут в ближайшее время привести нас эксперименты.

В настоящее время БАК — это важнейшая экспериментальная установка в физике элементарных частиц. Понятно, что стоило коллайдеру заработать, как моих коллег–физиков охватили тревога и нетерпеливое возбуждение. Невозможно было войти в зал какого‑нибудь семинара, чтобы на тебя не накинулись с вопросами. Что происходит? Какая достигнута энергия столкновений? Теоретики интересовались такими подробностями, которые прежде для тех из нас, кто занимался расчетами и был далек от датчиков и экспериментальных установок, были едва ли не абстракцией. Наблюдался и обратный процесс. Экспериментаторы как никогда живо интересовались нашими последними разработками и жаждали побольше узнать о том, что им следует искать и что есть шанс открыть.

Даже на конференции в декабре 2009 г., посвященной темному веществу, участники с огромным интересом обсуждали БАК, который тогда только что завершил свой невероятно успешный дебют, получив первые высокоэнергетические протоны и первые столкновения. В то время после почти отчаяния, испытанного год назад, все просто горели энтузиазмом. Экспериментаторы с облегчением думали, что у них теперь есть данные, которые можно изучать и при помощи которых можно лучше разобраться в своих детекторах. Теоретики были счастливы, предвкушая скорое появление хоть каких‑нибудь ответов и достоверных выводов. Все работало просто сказочно хорошо. Пучки получались замечательные. Столкновения происходили. Аппаратура регистрировала события.

Однако путь к этой вехе оказался очень непростым, и в этой главе я подробнее расскажу об этом. Так что пристегните ремни — мы выезжаем на неровную дорогу!

История Европейского центра ядерных исследований (CERN) началась на несколько десятилетий раньше истории БАКа. Вскоре после окончания Второй мировой войны был заложен первый Европейский ускорительный центр, в котором должны были проводиться эксперименты по изучению элементарных частиц. В то время многие европейские физики — и те, кто эмигрировал в США, и те, кто по–прежнему жил во Франции, Италии и Дании — мечтали о том, чтобы в их родные страны вернулась передовая наука. Американцы и европейцы договорились, что для ученых и науки будет лучше, если европейцы объединятся в достижении этой общей цели и вернут исследования в Европу, чтобы залечить следы разорения и всеобщего недоверия, оставленные недавно закончившейся войной.

В 1950 г. на конференции ЮНЕСКО во Флоренции американский физик Исидор Раби посоветовал создать лабораторию, которая способствовала бы восстановлению в Европе сильного научного сообщества. В 1952 г. для этого был основан Европейский совет по ядерным исследованиям — Conseil Europeenpourla Recherche Nucleaire, или CERN. Первого июля 1953 г. представители 12 европейских государств собрались вместе, чтобы создать Европейскую организацию ядерных исследований, а в следующем году была ратифицирована соответствующая конвенция. Аббревиатура CERN давно уже не отражает название исследовательского центра, да и изучают здесь сегодня не ядерную, а субъядерную физику, или физику элементарных частиц. Но, как часто бывает в бюрократических системах, за Центром сохранилось первоначальное название.