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

Прошло более века с тех пор, как лорд Резерфорд продемонстрировал, что внутреннюю структуру вещества можно исследовать, облучая тонкий лист золота ядрами гелия (которые тогда назывались альфа-частицами), испускаемыми при распаде радиоактивных изотопов. Обнаружив, что некоторые частицы отклоняются на большие углы, Резерфорд увидел в этом доказательство того, что в атоме золота весь его положительный заряд сосредоточен внутри очень маленького ядра. Эксперимент Резерфорда позволил построить модель атома, сохранившую свою актуальность и сегодня: очень маленькое ядро, окруженное облаком электронов, – и открыл путь к квантовой механике (классическая механика не могла объяснить, почему при движении электроны не теряют энергию за счет излучения и не падают на ядро). Именно этот эксперимент стал предтечей современных экспериментов в больших ускорителях частиц.

Вот так, с Резерфорда, и началась погоня за все более и более энергичными снарядами, чтобы с их помощью все глубже и глубже исследовать материю. На смену электронам и альфа-частицам пришли космические лучи – непрерывный поток частиц из космоса с очень высокой энергией, неустанно бомбардирующий нас со всех сторон. Ну, а в 1930‑е, когда стало возможным получать и ускорять пучки электронов и протонов в лабораторных условиях, стартовала эра ускорителей.

Ускоряя электроны, протоны или тяжелые ионы до очень высоких энергий и заставляя их сталкиваться друг с другом, можно получать в очень ограниченном пространстве экстремальные энергии и температуры, характерные для ранней Вселенной. Таким образом, в контролируемых лабораторных условиях возможно воспроизводить всю ту разнообразную “фауну” частиц, что в изобилии населяли Вселенную сразу после Большого взрыва, но не дожили до наших дней.

Иначе говоря, мы можем рассматривать ускорители как супермикроскопы, которые исследуют вещество с помощью самого проникающего из всех доступных нам излучений – очень высокоэнергетических протонов – для того, чтобы выявлять наимельчайшие детали в строении материи.

Будь то частица материи или квант излучения, связанные с каждым из них энергия и длина волны[24] обратно пропорциональны: чем выше энергия, тем короче соответствующая длина волны и тем выше разрешающая способность нашего микроскопа.

Только получаемые в ускорителях электроны и протоны с высокими энергиями позволяют визуализировать детали протона, размер которого порядка фемтометра (10^–15 м), или даже внутренние компоненты протона, такие как кварки, размер которых не превышает аттометра (10^–18 м). А если у кварков, как и у протонов, тоже есть структура, то и ее можно будет со временем исследовать с помощью частиц, обладающих достаточно высокой энергией; нужно лишь, чтобы соответствующая длина волны не превосходила очень малых размеров этих новых элементарных компонентов материи.

Рассматривая ускорители частиц как супермикроскопы, мы можем думать о них и как о своеобразных машинах времени, способных перенести нас на миллиарды лет назад, чтобы мы могли увидеть явления, происходившие в очень далекие эпохи, в моменты, непосредственно следовавшие за Большим взрывом. Ускорители – это фабрики вымерших частиц, тех частиц, которые возвращаются к жизни из разрушенной структуры вакуума при столкновениях с очень высокими энергиями, частиц, которые вымерли миллиарды лет назад и не населяют больше нашу макроскопическую Вселенную, или же таких состояний материи, что сохранились в настоящее время только в каких‑то отдаленных и совершенно недоступных уголках Вселенной и при очень необычных условиях.

LHC – экстремальная на сегодня точка в этой исследовательской линии.

Самое холодное место во Вселенной

Но построить такой ускоритель, как LHC, совсем не просто. Когда в 1993 году американский проект SSC был закрыт, первоначальный энтузиазм в ЦЕРН быстро сменился тревогой. Руббиа снова оказался прав, но теперь мы уже не могли отступить: строительство LHC – футуристического сооружения, производящего пучки очень высокой интенсивности, с тысячами исключительно сложных магнитов, с системами управления и защиты, которые еще только предстояло изобрести, – надо было доводить до конца. При одной лишь мысли обо всем этом даже у самых отчаянных из экспертов тряслись поджилки и учащался пульс. Каждый из нас терзался сомнениями, по плечу ли нашему коллективу эта задача. А вдруг физики старшего поколения (среди которых, между прочим, есть несколько лауреатов Нобелевской премии) не ошибаются, когда говорят с улыбкой: “Такой аппарат никогда не будет работать”?

Опасения были более чем понятны. Для создания нового ускорителя требовалось совершить качественный скачок. Чтобы удерживать на нужных траекториях протоны с энергией 7 ТэВ, надо было испытать магниты, индукция магнитного поля которых достигает 9,7 Тл, что примерно в сто тысяч раз больше, чем индукция магнитного поля Земли[25]. Такое сильное магнитное поле никогда ранее не использовалось в ускорителях.