В поисках частицы Бога, или Охота на бозон Хиггса

Сэмпл Иэн

Детекторы, которые ученые используют, чтобы увидеть новые физические явления на фоне огромного числа всевозможных осколков, возникающих при столкновениях внутри LHC, — поистине шедевры технологий. Безусловно, самым крупным из всех является детектор, метко названный “Атласом” (это аббревиатура, образованная из первых букв слов в названии A Toroidal LHC Apparatus). По размеру он сопоставим с олимпийским плавательным бассейном. 7000-тонный “Атлас” и не очень маленький CMS-детектор были спроектированы для поисков частицы Хиггса, но с их помощью ученые надеялись зарегистрировать и что-нибудь еще — например, экзотические частицы темной материи или дополнительные измерения.

Бозон Хиггса может родиться внутри Большого адронного коллайдера несколькими

способами, но самый вероятный из них — при столкновении и слипании двух глюонов (частиц, которые связывают кварки внутри протонов). Энергии, выделяемой при столкновении, заведомо хватит, чтобы создать частицы Хиггса, но они сразу же после этого распадутся. Если бозон Хиггса окажется легким (примерно с той массой, которую приписали ему, когда на коллайдере LEP в ЦЕРНе увидели сигнал, похожий на его след), то он, вероятно, затеряется в облаке гамма-лучей. Если бозон Хиггса немного тяжелее, скажем, весит больше 130 ГэВ, ученые будут искать треки, оставленные четырьмя лептонами (семейство частиц, включающее электрон). Поиск частицы Хиггса состоит в вычленении этих сигналов из всех сигналов, оставленных другими субатомными осколками, которые в огромном количестве образуются при столкновениях на LHC.

На небольшом расстоянии от “Атласа” расположен детектор LHCb. С его помощью ученые пытаются решить вопрос, еще в 1933 году поставленный Полем Дираком в его нобелевской лекции. При рождении Вселенной в результате Большого взрыва около 14 миллиардов лет назад возникло равное количество материи и антиматерии. Что случилось со всей антиматерией? Существуют ли звезды из антиматерии, сияющие в галактиках из антиматерии? Детектор LHCb предназначен для регистрации частиц, состоящих из b-кварков (прелестных) — тяжелых кварков, и именно они помогут ответить на вопрос, почему обычная материя победила в сражении с антиматерией...

В течение месяца каждый год техники ЦЕРНа должны очищать LHC от протонов и заливать его ионами свинца для экспериментов, для которых в основном и предназначен детектор ALICE (аббревиатура, образованная из начальных букв слов A Large Ion Collider Experiment). Когда эти ионы столкнутся на скоростях, близких к скорости света, возникнут температуры в 100 000 раз выше, чем в центре Солнца. В этих условиях ионы образуют кварк-глюонную плазму — странную форму материи, которая, как полагают ученые, существовала на ранней стадии жизни нашей Вселенной. Наблюдая, как ведет себя эта кварк-глюонная плазма, ученые в экспериментах на ALICE надеются разгадать, как она превращается в частицы сегодняшней Вселенной.

Есть еще одна сумасшедшая гипотеза, которую надеются проверить с помощью БАКа. Две группы московских ученых (одна — под руководством Ирины Арефьевой и Игоря Воловича из Математического института имени Стеклова, а другая — под руководством Николая Кардашева из Физического института РАН — считают, что БАК может создать “машину времени” ¹⁸⁶. Правда, не ту, что придумал Герберт Уэллс в 1895 году и не ту, что похожа на сани Санта-Клауса с вмонтированным в них античным диваном и балдахином. Машины времени, созданные фантазией и расчетами российских математиков, подобны крошечным кротовым норам, или червоточинам. Это такие искажения пространства-времени, которые могли бы, в принципе, позволить если и не людям, то частицам путешествовать из будущего в прошлое.

Идея выглядит диковинной. Она такая и есть. Но математики утверждают, что при определенных условиях две частицы могут столкнуться лоб в лоб в LHC с такой силой, что вызовут ударные волны, способные исказить микроскопические области пространства — времени. Некоторым физикам кажется, что это в пределах возможностей LHC, хотя большинство думает, что для создания такой “червоточины” потребовалось бы нереализуемое, огромное количество энергии.

Если Арефьева и ее коллеги-математики правы, столкновения в LHC могут создать то, что физики называют замкнутой временеподобной кривой, в которой время завязывается петлей. Узел отмечает своего рода

нулевой год для путешествий во времени. Ничто из будущего не может путешествовать во времени назад до того, как “червоточины” будут созданы, и даже тогда это путешествие осуществимо лишь при появлении временной петли. Согласно теории (и, видимо, не нужно предупреждать, что это весьма спекулятивные рассуждения), люди из будущего могли бы послать нам сообщение в ЦЕРН через такие мимолетные “червоточины”. Правда, более вероятно следующее явление: ученые, работающие в лаборатории, вдруг увидят, как субатомные осколки, образующиеся при столкновениях частиц, исчезнут, попав в петлю времени. Российские ученые считали бы это экспериментальным доказательством существования “червоточин” и возможности путешествий во времени.

Инцидент, случившийся на БАКе в 11:18 утра 19 сентября 2008 года, положил конец всем надеждам на новые открытия, по крайней мере, они отложились на неопределенное время ¹⁸⁷. Авария, которая заставила мигать лампы тревожной сигнализации в диспетчерской ЦЕРНа, не была простой небольшой поломкой. В первую очередь нужно было сделать так, чтобы работа с машиной стала безопасной: половина пятнадцатитонных магнитов были вырваны из своего крепежа в туннеле, что грозило большой опасностью. После окончания этого этапа началась работа по вычищению мусора. Потом нужно было восстановить картину поломки, понять ее причину и провести необходимый ремонт.

Взрыв произошел в тот момент, когда инженеры ЦЕРНа запускали последний большой блок питания коллайдера. В сверхпроводящих магнитах циркулируют огромные электрические токи, необходимые для создания полей, направляющих частицы по круговым траекториям внутри коллайдера. Магниты связаны друг с другом сверхпроводящими проводами, которые, чтобы работать надлежащим образом, должны купаться в сверхтекучем гелии при температуре -271 градус по Цельсию. В тот день одно соединение из 10 000 разогрелось и потеряло свои сверхпроводящие свойства. Это привело к появлению мощной искры, пробежавшей через гелиевый дюар, в который был погружен один из магнитов. Искра пробила отверстие в стенках дьюара, и гелий перелился во внешний кожух. Экстренные предохранительные клапаны открылись, чтобы стравить излишек гелия в туннель, но быстро забились, внутри магнитов развилось огромное давление, их вырвало из крепления и в некоторых местах даже разломало бетонный пол туннеля.

Ущерб был нанесен ужасающий. Искры, создавшиеся в результате короткого замыкания, оказались достаточно мощными, чтобы расплавить почти полтонны меди. Высвободились шесть тонн гелия, давление повысилось, поврежденными оказались пятьдесят три огромных магнита. Все в машине на расстоянии более полукилометра было покрыто тонким слоем сажи. “Ужасно, что это случилось в самом конце — при тестировании последнего крупного блока питания! Было ощущение, что мы получили сильнейший хук слева”, — говорит Эванс.

Инженеры быстро определили причину неисправности — дефектные электрические контакты, соединяющие сверхпроводящие кабели. Эти контакты должны быть пропаяны под давлением в 2 тонны, чего почему-то сделано не было. Когда инженеры приступали к работе по замене поврежденных магнитов новыми, они направили техников для проверки всех 10 000 контактов. То, что обнаружилось, оптимизма не вселяло. Около половины из них были ненадежны, другие вообще не были пропаяны, и в некоторых из них между медными стабилизаторами и сверхпроводящим кабелем были пустоты, что привело к увеличению их удельного сопротивления в сотни раз. Неудивительно, что они разогрелись и вышли из сверхпроводящего состояния. Нужно было их срочно перепаять. Кроме того, требовалось создать систему раннего предупреждения и поставить больше предохранительных клапанов на разные системы, чтобы при подобной аварии в будущем давление гелия не смогло бы сильно возрасти и причинить такой огромный вред. Ремонт остановил коллайдер более чем на год и стоил ЦЕРНу 40 миллионов швейцарских франков.