Тончайшее несовершенство, что порождает всё. Долгий путь частице Бога и Новая физика, которая изменит мир - Гвидо Тонелли Страница 15

оставленные им в измерительных приборах. О его присутствии можно судить только по продуктам его распада, и его масса исключительно важна, чтобы понимать, какие еще частицы он может породить. Спектр возможностей тут огромен. Всякого, кто решится на поиски, ждет настоящий кошмар. Это все равно что исследовать Тихий океан в поисках нового вида животных, не зная, о чем в точности идет речь – о крошечных насекомых, живущих в растительности островов, или о гигантских глубоководных рыбах.

В случае с W– и Z-бозонами все было совсем не так. Когда Руббиа начал переделывать самый мощный на то время в мире ускоритель, задача перед ним стояла предельно ясная: подробно исследовать диапазон масс, которые могут быть у W– и Z-бозонов. Объединенная теория электрослабого взаимодействия давала уверенное предсказание: их массы должны быть между 80 и 90 ГэВ[19]; это почти в сто раз больше, чем у атома водорода, и все каналы рождения и распада данных частиц были хорошо определены. Оставалось только построить достаточно мощный ускоритель и сфокусироваться на нужных значениях энергии.

Охота на бозон Хиггса гораздо сложнее, в ней слишком много неизвестных. Во-первых, этот бозон не обязательно существует: Стандартная модель предполагает наличие некоего механизма, нарушающего симметрию между слабым и электромагнитным взаимодействием, но этот механизм не обязательно именно таков, как его описали Браут, Англер и Хиггс. Были и другие модели, безусловно менее элегантные, но нам уже известны случаи, когда природа выбирала совсем не те пути, которые нам больше всего нравились. А кроме того, даже если механизм Хиггса действительно всецело зависел от этого самого бозона (как приписывалось ему теорией), в реальности ничто не мешало ему быть легким, как электрон, или в десять раз тяжелее массивных W– и Z-бозонов. Спектр возможностей, которые предстояло исследовать, был огромен.

Если бы бозон Хиггса был легким, то его можно было бы обнаружить по косвенным эффектам во множестве уже изученных процессов и для его регистрации не понадобилось бы строить большие ускорители. Напротив, если масса его велика, то нет другого пути, кроме как создавать достаточно мощный ускоритель.

Поначалу охота проходила спокойно, но после первой же ложной тревоги события закрутились в бешеном ритме.

Было лето 1984 года, прошло всего несколько месяцев после открытия W– и Z-бозонов; в лаборатории DESY (Deutsches Electronen-Synchrotron), расположенной в Германии неподалеку от Гамбурга, только что модернизировали электронно-позитронный коллайдер Doris. С первых же месяцев его детекторы начали регистрировать нечто необычное. При энергиях около 8,33 ГэВ наблюдался необъяснимый избыток событий, характерный для рождения новых частиц, “нейтральных и нестабильных”. Возбуждение нарастало – сигнал читался однозначно: все говорило о присутствии бозона Хиггса.

Об открытии было объявлено на самой престижной площадке – на Международной конференции по физике высоких энергий, проходившей в тот год в Лейпциге, тоже в Германии. Сообщение произвело эффект разорвавшейся бомбы, но – сразу последовали бурные споры. Разочарование к ученым приходит, когда другие группы исследователей безуспешно пытаются получить такие же результаты. Физики самой Doris, собрав дополнительные данные, в конце концов признали, что им тоже не удалось воспроизвести собственные результаты. Теперь мы уже никогда не узнаем, была ли членами группы совершена какая‑то ошибка или все дело в коварной статистической флуктуации.

Ложные тревоги будут сопровождать охоту на бозон Хиггса на протяжении десятилетий. Ну, а первое событие из этого ряда оказалось полезным в частности потому, что научный мир оценил всю важность будущего открытия. С этого момента следы бозона Хиггса начнут отслеживать во всех последующих экспериментах.

Властелины колец

Для открытия новых частиц необходим такой ускоритель, в котором они могут появляться. То есть такой, где возможны столкновения, энергия которых превышает массу искомых частиц. Что это за энергия, мы знаем из знаменитого соотношения эквивалентности энергии и массы Эйнштейна. Когда частицы одного пучка сталкиваются с частицами другого, энергия столкновения может превратиться в массу рождающихся при этом частиц, и чем больше энергия столкновения, тем более массивные частицы могут рождаться, тем ближе мы становимся к пониманию первых мгновений жизни Вселенной сразу после Большого взрыва. Отсюда и стремление строить все более мощные ускорители.

В качестве сталкивающихся частиц используются наиболее распространенные электрически заряженные частицы – электроны и протоны, а иногда и их античастицы – позитроны и антипротоны. Заряд необходим, поскольку они разгоняются и удерживаются внутри тоннеля ускорителя в соответствии с законами электромагнетизма. Очень сильные электрические поля создают ускорение, и энергия частиц растет, а сильные магнитные поля искривляют траектории ускоренных частиц, делая эти траектории круговыми.

В ускорителях первого типа используются электроны и позитроны; это точечные частицы, не обладающие размером. При лобовом столкновении они аннигилируют, то есть исходные частицы исчезают и их энергия полностью превращается в энергию рождающихся частиц. С экспериментальной точки зрения ситуация предельно ясна: новые частицы можно получать и изучать в условиях, максимально близких к идеальным. Однако недостаток электрон-позитронных ускорителей заключается в том, что они не позволяют добраться до достаточно высоких энергий. Эти частицы слишком легкие, и при движении по круговым траекториям значительная часть их энергии теряется в виде излучения; попросту говоря, они испускают особую разновидность электромагнитных волн, называемую синхротронным излучением.

Ускорители же, использующие протоны (или антипротоны), от этого избавлены. Поскольку эти частицы намного тяжелее электронов, их синхротронное излучение значительно меньше, а стало быть, можно достичь и куда более высоких энергий. Но, в отличие от электрона, у протона, состоящего из кварков и глюонов, конечные размеры и сложная пространственная структура. И процесс столкновений сильно усложняется.

Внутри протона в основном пустота. Если бы мы могли растянуть его до размеров комнаты, то области, в которых бы обнаруживалось вещество, занимали в ней лишь небольшой объем. И кварки внутри него, и глюоны, обмениваясь которыми кварки удерживаются вместе, оказались бы крупинками размером в несколько миллиметров. Поэтому неудивительно, что в подавляющем большинстве случаев при столкновении двух протонов не происходит ничего интересного: чаще всего они проходят по касательной друг к другу и выходят из столкновения целыми и невредимыми, лишь слегка отклонившись от своей траектории. Если же случается лобовое столкновение, то протоны разрушаются и часть их энергии уходит на образование новых частиц. В тех редчайших случаях, когда лобовое столкновение касается и тех крошечных зон, в которых сосредоточена материя кварков и глюонов, высвобождается максимум энергии, и именно в этих редчайших случаях образуются наиболее массивные частицы – в том числе, возможно, и невиданные ранее. Но поскольку к лобовому столкновению этих занятых кварками и глюонами зон приводит лишь очень малая часть сталкивающихся протонов, в среднем максимальная