Иэн Сэмпл - В поисках частицы Бога, или Охота на бозон Хиггса

Офис Лина Эванса находится недалеко от столовой, в пяти минутах езды на машине. И вот мы входим в его кабинет. Проглядев какие-то бумаги, лежавшие у него на столе, Эванс садится и начинает свой рассказ. Полки за его спиной заставлены фрагментами ускорителя, а среди фотографий, которыми увешана одна из стен, есть снимок Эванса рядом с Питером Хиггсом. “LEP был уникальной машиной”, — с удовольствием вспоминает Эванс.

Планировалось, что коллайдер будет запущен в два этапа. На первом пучки частиц, прежде чем столкнуться, должны ускориться примерно до 50 ГэВ каждый. Задача этого этапа заключалась в том, чтобы получить огромное количество Z-частиц и изучить их до мельчайших подробностей. На втором этапе энергия пучков должна быть увеличена до 80 ГэВ каждый, что достаточно для рождения пар W-частиц, которые также планировалось детально изучить.

Если вы собираетесь строить ускоритель элементарных частиц, например такой, как LEP, вам необходимо учесть бесконечное число факторов. Прежде всего вы должны найти компромиссное решение при выборе размеров. Малые кольцевые коллайдеры неэффективны, потому что, когда вы ускоряете электроны на траекториях малого радиуса, они теряют много энергии в виде излучения 131 131 Энергия, которую электроны теряют, двигаясь по изогнутой траектории, называется синхротронным излучением. Эти потери мешают при создании пучков высоких энергий, так как чем быстрее электроны летят, тем больше они излучают, поэтому больше энергии должно выкачиваться из ускоряющего оборудования. Но есть и другая сторона медали. Синхротронное рентгеновское излучение невероятно интенсивно и может быть использовано для изучения всех видов объектов — от белков до авиационных двигателей. В синхротроне Diamond в Оксфордшире синхротронное излучение было использовано для изучения фрагментов свитков Мертвого моря без их распрямления и порчи хрупкого папируса. . Большие ускорители более эффективны в этом смысле, у них кривизна траектории электронов меньше, однако их строительство гораздо дороже.

В начале ЦЕРН планировал построить для LEP 50-километровое кольцо, но стоимость оказалась заоблачной. Остановились на 27-километровом кольце и четырех огромных детекторах для регистрации новых частиц, которые могли бы появиться на свет при каждом столкновении.

Определившись с размером машины, стали искать место для нее. Принять это решение оказалось не так просто. Большой размер LEP означал, что нужно купить довольно большой участок земли рядом с основной территорией ЦЕРНа, а денег на это не хватало. Дешевле было привлечь сверхмощные бурильные машины и прорыть туннель для коллайдера под землей. Подземный вариант имеет много преимуществ. Слой земли над ускорителем эффективно защищает от излучаемой им радиации, кроме того, он защищает и сам ускоритель от возможных вредителей-диверсантов. И кроме всего прочего, подземный вариант позволяет не испортить красивый сельский пейзаж — на фоне идиллического ландшафта не появится металлический монстр, окруженный забором из колючей проволоки.

Но есть и минусы. Постройка под землей машины такого размера, как LEP, требует тщательного планирования и ювелирной техники. И еще —когда что-то портится под землей, это что-то очень трудно ремонтировать.

И все-таки ЦЕРН выбрал подземный вариант, но это решение породило череду новых проблем. Если начертить на земле кольцо LEP, оно окажется слишком большим, чтобы втиснуться между аэропортом Женевы с одной стороны и горами Юра с другой. Под землей проблем оказалось не меньше. Аэропорт был построен на породе, состоящей из смеси камня и рыхлой почвы, так что бурение туннеля в ней было сущим кошмаром. А под горами Юра залегали пласты известняка, пронизанные разломами и трещинами с водой. Геологи-эксперты предупредили, что попытка пересечь хотя бы один из этих разломов может увеличить бюджет проекта на 16 млн долларов и задержать запуск ускорителя больше чем на год.

Прежде чем приступить к сооружению туннеля, инженеры ЦЕРНа пробурили множество разведочных скважин, чтобы нарисовать подробнейший геологический портрет региона. С его помощью они наконец поняли, что нужно делать. Они слегка сдвинули положение туннеля, затем наклонили, чтобы он плавно опускался вниз с глубины около 50 метров в предгорьях Юры до глубины более чем 100 метров под аэропортом. Таким образом, почти весь бетонный туннель четырехметрового диаметра был проложен в твердых породах.

Местные законы в районе, где расположен ЦЕРН, таковы, что нельзя просто прийти и установить колоссальный ускоритель элементарных частиц — или что-нибудь еще в этом роде — под чьим-то домом, не спрашивая разрешения у хозяев. Коллайдер LEP пересекал извилистую франко-швейцарскую границу четыре раза и проходил прямо под домами, расположенными по обе стороны границы. Если вы живете в Швейцарии, закон страны гласит, что вам принадлежит земля под вашим домом на глубину примерно 30-50 метров. Принимая такой закон, власти имели в виду, что он не позволит коммунальным предприятиям помешать владельцам дома построить подземный гараж или даже вырыть артезианскую скважину. Во Франции же соответствующий закон отличается от швейцарского, и кардинально. Если вам посчастливилось жить во Франции, вы владеете землей под вашим домом на всю глубину, до центра Земли. Туннель коллайдера проходил достаточно глубоко, чтобы можно было не беспокоиться на этот счет на швейцарской территории, но во Франции руководству ЦЕРНа пришлось получить письменное разрешение примерно от 2000 домовладельцев, прежде чем строители смогли начать копать. Некоторые из хозяев отказывались подписать соответствующие документы, и на достижение соглашения между ними и французским правительством ушло два года!

Отношения ЦЕРНа с окрестной сельскохозяйственной общиной напряглись после того, как некий физик, работавший в центре, предупредил, что LEP будет отравлять поля — загрязнять окружающую среду, как миллион автомобилей. Неудивительно, что и фермеры, и местные власти страшно возбудились. Ученый тот поднял серьезный вопрос, но исказил факты. Действительно, частицы носятся по кругу внутри ускорителя LEP, и при этом возникает интенсивное рентгеновское излучение, воздействие которого, если бы это происходило в воздухе, могло бы привести к образованию токсичных газов, таких как озон и окислы азота. На земле это создало бы действительно серьезные проблемы, но LEP ведь сидит под землей и заэкранирован свинцом, алюминием, а кроме того, окружен магнитами, которые направляют и фокусируют пучки. Когда инженеры ЦЕРНа учли все эти факторы, расчеты показали, что вредные выбросы из шахт вентиляции эквивалентны всего лишь загрязнению, вызванному несколькими лишними машинами на местных дорогах.