Тончайшее несовершенство, что порождает всё. Долгий путь частице Бога и Новая физика, которая изменит мир

Прошло уже более 20 лет с начала 1990‑х, времени, когда мы небольшими группами собирались в ЦЕРН, чтобы поговорить о LHC – новом, тогда только еще проектируемом ускорителе. Я и сегодня отлично помню и споры о принципах, которые должны лежать в основе конструкции гигантских детекторов, и чертежи этих детекторов, набросанные шариковой ручкой на бумажных салфетках в кафетерии ЦЕРН.

Это была пора горячих споров, невероятного энтузиазма и горьких разочарований. Случались, конечно, и конфликты, иногда весьма серьезные, вовлекавшие в себя немалую часть наших коллег, которые считали нас слегка помешанными, ибо технологии, предлагаемые нами, были слишком уж завиральными, а высокая светимость коллайдера, которой мы стремились достичь, – разрушительной для него. Многие из более опытных ученых смотрели на нас снисходительно, словно думая про себя: “Дай бог нашему теляти волка споймати… вот только шансов‑то маловато”. А иные недоуменно поднимали брови, глядя на новое поколение сорокалетних физиков, которые почему‑то верили, будто у них получится то, что до сих пор не удалось никому: открыть бозон Хиггса.

Мечта нашей немногочисленной группы энтузиастов стала сегодня реальностью и, как это частенько случается, представляется со стороны непрерывной чередой успехов на пути к славе. На самом же деле это была авантюра, рискованная и очень трудная: рассчитывая на победу, мы осознавали и опасность сокрушительного провала.

Современный детектор элементарных частиц в чем‑то схож с огромной цифровой фотокамерой. Принцип его работы прост. В каждом ускорителе есть одна или несколько специальных зон, называемых зонами взаимодействия, где пучки фокусируются в предельно малом объеме и пересекаются и где происходят столкновения. Частицы, рождающиеся в результате подобных столкновений, надо зарегистрировать и распознать, и для этого используются целые системы детекторов – аппаратные комплексы, каждый из которых включает в себя высокочувствительные датчики, способные зафиксировать мельчайшие всплески энергии при вылете частиц из зоны взаимодействия.

В ускорителе протоны движутся очень плотными сгустками: в каждом сгустке примерно сто миллиардов протонов. Оказавшись в зоне взаимодействия, сгусток сдавливается еще больше – в нитевидную область диаметром около 0,01 мм и длиной 10 см. Временной интервал между двумя соседними сгустками составляет двадцать пять наносекунд (то есть миллиардных долей секунды), а всего в LHC может одновременно разгоняться до 2 800 сгустков. Это значит, что, поскольку столкновения двух сгустков протонов в LHC также идут сериями определенной продолжительности, нужно, чтобы серии столкновений чередовались со строго определенными интервалами, которые регулируются очень точной схемой синхронизации. Датчики, окружающие зону взаимодействия, получают сигнал о приходе очередного сгустка, и именно на момент прохождения сгустка столкновений активируются цепи, регистрирующие, что происходит вокруг зоны взаимодействия.

Все надо проделывать очень быстро – времени между сгустками мало, и детекторы должны успеть подготовиться к регистрации событий, вызываемых следующим сгустком. Вот тут‑то и срабатывает аналогия с современными цифровыми фотокамерами. Изображение столкновения состоит из 100 миллионов пикселей, каждый из которых формируется отдельным датчиком, – одним из множества датчиков, распределенных по всему объему детектора. Это изображение записывается на диск, чтобы можно было спокойно (так сказать, офлайн) изучить его после окончания эксперимента.

Размер каждого изображения – один мегабайт; этим параметром оно мало отличается от обычной цифровой фотографии. Другое дело скорость: детекторы LHC делают цифровые снимки в невообразимом ритме 40 млн в секунду. Если хранить их все, объем данных окажется непомерно большим. Ни одна система передачи не справится с таким плотным потоком информации – сорок терабайт в секунду! А если бы она даже и справилась, мы все равно бы не знали, где хранить всю эту информацию. Для записи ее на 10‑гигабайтные DVD нам понадобилось бы использовать 4 000 дисков в секунду, то есть за год работы у нас скопилось бы 40 млрд дисков[22]. Если сложить их в стопку, то получится столб высотой в 40 000 км.