В поисках частицы Бога, или Охота на бозон Хиггса

Сэмпл Иэн

Строительство туннеля LEP было завершено в 1988 году, за неделю до Дня святого Валентина. Благодаря тому, что буровые машины были снабжены приборами спутникового и лазерного наведения, два конца туннеля встретились, разойдясь всего на 1 сантиметр. Одни только строительные работы заняли шесть лет!

Позже, в том же году, перед тем как LEP был запущен, британский премьер-министр Маргарет Тэтчер выступила с речью в Лондоне, на заседании Королевского общества — самой престижной научной организации Великобритании. Тэтчер эмоционально рассказала об Артуре Эддингтоне, чьи книги Питер Хиггс читал, еще будучи школьником. В свое время Эддингтон выбрал именно Королевское общество, чтобы рассказать о своей знаменитой экспедиции 1919 года. В ходе этой экспедиции при наблюдении во время затмения за светом звезд, огибающим Солнце, была доказана правота теории Эйнштейна. “Когда Артур Эддингтон

представил свои результаты на заседании общества в 1919 году... этому событию были посвящены первые полосы газет, — сказала Тэтчер. — Многие не смогли попасть на заседание, однако народ был возбужден и жаждал узнать, действительно ли подтверждено это поразительное явление — искривление пространства. И сегодня мы спрашиваем себя: способны ли мы сейчас так же заинтересовать людей уже другим вопросом — существует ли бозон Хиггса, и вообще — зачем мы его ищем в ЦЕРНе?” ¹³²

История, которую вспомнила Тэтчер, была настолько поразительной, что “New York Times” поместила статью о ней не под одним заголовком, а под тремя! Статья, пришедшая го ноября 1919 года по телеграфу из Лондона, называлась “Лучи, идущие к нам от звезд, оказывается, совсем кривые”. Затем следовало: “Ученые, сгорая от нетерпения, ждут результатов наблюдения затмения”. На случай, если кто-то мог испугаться, что небо обрушится на них, газета ниже уточняла: “Звезды находятся не там, где мы их видим или где они по расчетам должны находиться, но беспокоиться по этому поводу не нужно”.

Когда мы переходим к разговорам о работе LEP, Лин Эванс оживляется и даже подается вперед, сидя на диване в своем кабинете. Строительство LEP само по себе было невероятным подвигом. Чего стоил один только размер машины! Нелегкая задачка для инженеров. Но строительство было только началом дела. В некотором смысле LEP оказался даже слишком хорошим, почти неправдоподобно хорошим.

Первой задачей, которую ЦЕРН намеревался решить с помощью нового коллайдера частиц, было измерение масс Z-частиц с большей точностью, чем делалось раньше. Для этого ученым требовалось точно знать, какова энергия у частиц, носящихся в ускорителе. Зная это, они узнали бы и сколько энергии теряется в каждом столкновении при рождении Z-частиц. Отсюда они могли бы определить их массу.

В 1991 году было обнаружено некое необъяснимое явление. В измерениях наблюдалась странная закономерность — энергия пучков менялась с загадочной регулярностью. Эванс, руководивший пронктом, заподозрил, что виной тому — хитроумное оборудование, возможно, сбой в работе источников питания. Ученые ЦЕРНа несколько месяцев чесали затылки, рассматривая странные сигналы. Со временем слухи о них распространились и среди сотрудников других лабораторий. Однажды ученый по имени Герхард Фишер из Стэнфордского центра линейных ускорителей позвонил в ЦЕРН — у него возникло некое предположение, и он посоветовал сотрудникам европейской лаборатории проверить его.

Чтобы это сделать, Альберт Хофманн, опытнейший работник ЦЕРНа, провел долгий и утомительный эксперимент, который продолжался от полуночи до 4-х утра следующего дня. Этот эксперимент и его результат стали одной из легенд ЦЕРНа. В данных, полученных Хофманном, обнаружился след виновника, которого Фишер и заподозрил, — нашего ближайшего небесного соседа, Луны. Каждый школьник знает, что притяжение Солнца и Луны вызывает приливы в морях и океанах. Хотя масса Луны составляет лишь небольшую часть массы Солнца, она больше влияет на приливы, поскольку расположена гораздо ближе. Менее известно то, что Луна и Солнце создают приливы также и в твердой земной коре. Эксперименты Хофманна показали, что, когда Солнце и Луна находятся на одной прямой, на поверхности Земли возникают горбы и впадины. Например, земля в ЦЕРНе вспучивается и уходит вниз примерно на 25 сантиметров. Земля колебалась — в буквальном смысле слова — под ногами ученых ¹³³. Когда Земля раздувалась (прилив), кольцо LEP растягивалось примерно на 1 миллиметр. Изменения размеров, незаметные для работающих на ускорителе ученых, меняли расстояние, которое частицы внутри коллайдера пролетали на каждом витке. Эффект был незначительным, но достаточным, чтобы значение энергии частиц изменялось. “Машина была само совершенство, — говорит Эванс. — То, что мы смогли получить столь высокую точность на такой огромной машине, просто поразительно”. В ЦЕРНе между собой шутили — и то была только наполовину шутка, — что ученым нужно купить календарь, чтобы во время проведения экспериментов сверяться с положением Солнца и Луны.

По мере того как продвигалась работа на LEP, становилось ясно, что Солнце и Луна — не единственные факторы, влияющие

на работу машины. После того как команда Эванса внесла поправки на приливы в земной коре, обнаружились и еще более тонкие флуктуации энергии пучков. Новый эффект поставил всех в ступор. Каждый день с понедельника по пятницу энергия пучков в LEP изменялась, причем точно в одно и то же время. Она менялась и в выходные дни, но в другие моменты. Время возникновения этого странного эффекта воспроизводилось с такой точностью, что можно было проверять по нему часы.

В мире еще не было научных объединений, коллабораций, с таким большим числом участников из разных стран, как в ЦЕРНе. Двадцать стран принимают непосредственное участие в деятельности центра, кроме того, в работу вовлечены еще и многие другие государства. Эксперименты проводят ученые, приехавшие примерно из шестисот институтов и университетов, разбросанных по всему миру. Многие приезжают и уезжают через Центральный железнодорожный вокзал в Женеве Корнавен, и именно там сотрудники ЦЕРНа обнаружили источник упомянутого загадочного эффекта, мешающего нормальной работе машины.

Если бы вы регулярно пользовались поездами, уходящими и приходящими на этот железнодорожный вокзал, моменты возникновения колебаний энергии в пучках LEP, несомненно, вызвали бы у вас некоторые ассоциации. Скоростной поезд, или TGV, связывающий Женеву с Парижем, — существо на редкость пунктуальное. Оказалось, что возникновение флуктуаций в пучках ускорителя совпадало с точностью до минуты со временем отправления поезда от женевского вокзала. ЦЕРН создал небольшую группу, чтобы разобраться в том, как TGV влияет на коллайдер. LEP обложили датчиками и измерили потребление электрического тока поездами на вокзале Корнавен и других железнодорожных станциях. Затем сопоставили данные и поняли, что происходит. Поезду TGV, чтобы тронуться с места и отправиться в путь, необходима большая мощность, в этот момент возникает всплеск электрического тока. Часть тока через железнодорожные рельсы уходит в землю. Команда ЦЕРНа обнаружила, что эти блуждающие токи перетекают в кольцо LEP, увеличивая магнитное поле в нем, при этом энергия пучка повышается на величину до 12 МэВ.

Неожиданные эффекты, связанные с поездами TGV и фазами Луны, насторожили ученых ЦЕРНа. Они стали внимательнее отслеживать и другие подозрительные сигналы, способные нежелательно отразиться на экспериментах. За все годы работы, до того как LEP навсегда закончил свое существование, он зарегистрировал еще повышение уровня воды в Женевском озере и землетрясение в Турции, находящейся на расстоянии более 2000 километров от ЦЕРНа.

Сразу, как только LEP принялся сталкивать частицы, ученые стали выискивать следы бозона Хиггса. Известно, что он способен родиться различными способами, например, только что возникшая Z-частица может распасться на бозон Хиггса и группу других частиц. По крайней мере, по свежим следам его в этом событии легче всего выследить. Команды, работавшие на четырех детекторах LEP, знали, как должны выглядеть треки этих частиц, но физики знали и то, что, если только частицы Хиггса не окажутся неправдоподобно легкими, могут пройти годы, прежде чем появится сигнал, который наверняка будет свидетельствовать об их появлении. Через несколько месяцев после того, как коллайдер был запущен, Жан-Франсуа Грива, участвовавший в поисках бозона Хиггса, сделал получасовой доклад в аудитории ЦЕРНа. Он перечислил различные реакции, в которых может появиться бозон Хиггса, но ничего особенно интересного не сказал — в конце концов, машина только несколько недель как была запущена, и было слишком рано ожидать значимых результатов. Когда полчаса прошли, Грива поблагодарил аудиторию и предложил задавать вопросы. Одна рука медленно поднялась в воздух. Это был Джек Штейнбергер, физик из ЦЕРНа, который разделил Нобелевскую премию с Леоном Ледерманом за год до того. Прежде чем задать свой вопрос, Штейнбергер извинился. “Я проспал большую часть доклада, — сказал он. — Так все-таки, скажите, вы нашли бозон Хиггса или нет?” ¹³⁴Аудитория разразилась хохотом.

ЦЕРН потратил миллиарды швейцарских франков на строительство LEP в надежде узнать больше о W- и Z-частицах и, конечно, найти частицы Хиггса. Вначале ускоритель пережил некоторые проблемы роста, но не более, чем любой другой амбициозный проект. После завершения строительства и обкатки машина оказалась настолько чувствительной, что рассказала ученым об окружающем мире больше, чем они ожидали. В шутку говорили, что она. во всяком случае, могла измерить количество дождя, пролившегося над Женевским озером и повысившего уровень воды в нем. предсказать, когда следует ожидать следующего полнолуния, и определить, когда отправится последний поезд на Париж.