Новый ускоритель в ЦЕРНе

В ожидании чуда. Физики готовятся воссоздать условия, царившие во Вселенной около 14 миллиардов лет назад — через считанные доли секунды после Большого взрыва.

На берегу Женевского озера царит идиллический покой. На северо-западе вздымаются покрытые снегом вершины Французской Юры, а на юго-востоке застыл белоснежный Монблан.

Именно здесь, в крупнейшем в мире центре ядерных исследований — ЦЕРН — и будут воссозданы условия, царившие во Вселенной около 14 миллиардов лет назад — через считанные доли секунды после Большого взрыва. Здесь скоро должен вступить в строй Большой адронный коллайдер (LHC) — кольцевой ускоритель заряженных частиц, на котором будут сталкиваться два пучка протонов, разогнанных до огромных скоростей.

Это — крупнейший в мире ускоритель элементарных частиц стоимостью около 4 миллиардов евро. Каждую секунду в подземном тоннеле протяженностью 27 километров будет происходить до 30 миллионов столкновений протонов — элементарных частиц с положительным электрическим зарядом, входящих в состав атомных ядер. Рабочая температура ускорителя — минус 271 градус по Цельсию, что на градус ниже средней температуры Вселенной. Подобная температура нужна для создания гигантского магнитного поля, удерживающего атомные ядра в тоннеле. Это поле будет в 200 тысяч раз мощнее магнитного поля Земли. Заставляя частицы сталкиваться почти со световой скоростью, физики надеются увидеть то, что было сразу после Большого взрыва — 13 миллиардов 700 миллионов лет назад.

— Последняя тайна бытия —

Размер ускорителя — 27 километров, он расположен под землей на глубине 50 —150 метров. Начало строительства: 2001 год. Ввод в эксплуатацию: конец 2007 года. Стоимость: 3,9 млрд. Страны, финансировавшие строительство: Австрия, Бельгия, Болгария, Великобритания, Венгрия, Германия, Греция, Дания, Испания, Италия, Нидерланды, Норвегия, Польша, Португалия, Словакия, Финляндия, Франция, Чехия, Швейцария, Швеция. В планировании и строительстве коллайдера принимали участие также исследователи из Израиля, Индии, Канады, России, США, Японии и некоторых других стран. Возможности Большого адронного коллайдера в сотни раз превосходят возможности лучших современных ускорителей — протон-антипротонного коллайдера «Теватрон» (Лаборатория Ферми в Чикаго) и Релятивистского коллайдера тяжелых ионов (Брукхейвенская лаборатория США).

Вот уже многие десятилетия физики пытаются понять, что такое масса и почему мельчайшие частицы вещества наделены ею.

Порой в отчаянии исследователи готовы отшутиться, сказав, что тайну сию не ведает сам Бог. Так, в популярном у немецких физиков анекдоте Вольфганг Паули, знаменитый теоретик, выдвинувший гипотезу о существовании нейтрино, возносится по смерти на небеса, где встречает Господа Бога. «Так что же такое масса?» — в последней надежде вопрошает Паули. Добрый Пастырь берет мелок и покрывает школьную доску у входа в Царство Небесное многими строками формул. Паули смотрит на написанное, досадливо машет рукой и, взывая в отчаянии к небесам, стирает хитроумные значки: «Да что Вы, Боженька? Так не пойдет! Я уже давно это проверил!» Короче, вопрос «Почему элементарные частицы наделены массой?» остается одной из глубочайших загадок физики. Ведь им вовсе не обязательно иметь массу, чтобы оставаться самими собой. Например, фотоны — частицы света — не имеют массы покоя, они непрестанно пребывают в движении, проносясь со скоростью света по Вселенной.

В отличие от них протоны, нейтроны и электроны обладают массой покоя. Нужно затратить энергию, чтобы сдвинуть их с места, так же как нужно затратить энергию, чтобы остановить их. Чем же объясняется их поведение? Почему одним частицам требуется больше энергии, чтобы начать движение, чем другим? Все ответы неминуемо сводятся к одному — к «массе частиц», этому важнейшему ориентиру в мире физики. Новейший ускоритель под Женевой — лучший пока транспорт для езды в незнаемое. Возможно, он доставит нас к «полю Хиггса». Ведь большинство физиков убеждено сейчас в том, что именно это поле наделяет элементарные частицы массой.

— Частица Хиггса —

В 1964 году шотландский физик Питер Хиггс предположил, что существует некое не известное пока науке поле, напоминающее скорее тягучий, растекшийся мед. Все мироздание заполнено им. Любые элементарные частицы, движущиеся сквозь время и пространство, движутся также и сквозь поле Хиггса, и оно тормозит их. Массивные частицы взаимодействуют с ним сильнее, легкие — слабее. Можно сказать так: частицы, изначально лишенные массы, попав в поле Хиггса, приобретают некую массу. Лишь некоторые частицы — фотоны — беспрепятственно минуют это поле.

Пытаясь пояснить, каким образом элементарные частицы приобретают массу, физики нередко прибегают к различным образам. «Представьте себе, все мироздание до краев заполнено вязкой глиной. Все элементарные частицы дефилируют по космосу в каких-нибудь болотных сапогах, и при каждом движении на их обуви остаются комья глины. Вот так же к ним пристает их масса, пока они пробираются сквозь поле Хиггса, а оно вездесуще».

Каким же образом физики намерены доказать, что поле Хиггса существует? Разогнав в ускорителе протоны почти до световой скорости, физики рассчитывают «увидеть» посланцев этого поля — хиггс-бозоны, которые, правда, тут же распадутся на более легкие частицы, но оставят по себе следы. До сих пор обнаружить поле Хиггса не удавалось.

Сплошные
— физические потемки —

Роль этого поля — а значит, и роль хиггс-бозонов — столь важна, что некоторые физики, кто иронично, а кто велеречиво, именуют эти неуловимые бозоны «частицами Бога», «святым Граалем», «провозвестницами земли обетованной». «И увидел Бог, что это скучно» — такими словами начинает повествование о хиггс-бозонах американский физик и нобелевский лауреат Леон Ледерман, назвавший эти частицы «божественными». Понятно, с каким нетерпением физики ждут завершения строительства Большого адронного коллайдера. «Дни хиггс-бозонов сочтены», — слышится вновь и вновь. Но если во время экспериментов на ускорителе удастся доказать существование хиггс-бозонов, значит ли это, что проблема массы элементарных частиц раз и навсегда будет решена? Скорее, нет. Мы и тогда будем лишь самым схематичным образом представлять себе, как частицы приобретают массу. Непонятно, например, почему массы различных элементарных частиц разнятся. Почему у протона одна масса покоя, у нейтрона — другая, у электрона — третья?

— Суперсимметрия?! —

Как шутят физики, работа на новом ускорителе сродни плаванию Колумба: мы тоже ищем путь в Индию, но, возможно, обнаружим попутно что-то иное. Например, суперсимметричные частицы.

Как полагают ученые, у каждой известной нам элементарной частицы есть свой двойник. Это значит, что во Вселенной должно быть по крайней мере вдвое больше разновидностей частиц, чем известно исследователям. Только вот найти этих двойников пока не удается, хотя природа и предписывает симметрию. Обнаружение суперсимметричных частиц позволит привести физические модели Вселенной в соответствие с этим законом природы. Возможно, что и загадочное темное вещество, из которого состоит значительная часть Вселенной, тоже содержит именно такие частицы.

Ученые уже давно раздают им имена. Так, в пару к электрону подобрали сэлектрон, в пару к мюону – смюон, кварки дополнили скварками, нейтрино – снейтрино, суперсимметричный фотон назвали «фотино», ну а двойником еще не открытого хиггс-бозона стал хиггсино. Некоторые из этих суперчастиц, как предполагают, могут быть в миллиарды и даже миллиарды миллиардов раз тяжелее протонов. Современные ускорители не обладают достаточной мощностью, чтобы породить подобные частицы. Однако энергия соударений частиц в новом женевском ускорителе будет так высока, что при их распаде могут обнаружиться частицы, чье существование предсказано теорией суперсимметрии.

Впрочем, не исключен и такой вариант, что исследователям так и не удастся найти ничего нового, и это будет настоящим научным кошмаром. Как замечает один из исследователей, «если на этот раз мы потерпим неудачу, то уже никогда больше не удастся убедить политиков выделить средства на строительство еще более громадного ускорителя ради того, чтобы мы все-таки нашли эти неведомые частицы».

Полностью статья будет опубликована в октябрьском номере журнала «Знание — сила».