10 сентября 2008 года – знаменательная дата для всей современной науки, в особенности – для физики. Именно в этот день состоялся запуск самого совершенного прибора, применяемого для изучения структуры самой Вселенной – Большого адронного коллайдера. С тех пор вот уже 4,5 года ученые всего мира получают в огромном количестве ценную информацию. А зачастую и сенсационную, способную перевернуть все самые современные представления об устройстве материи и энергии. Однако сверхсложный ускоритель заряженных частиц, как и любое другое оборудование, нуждается в профилактическом обслуживании, ремонте и даже… модернизации. Ведь все это время он работал на пределе своих возможностей, а исследователям, рьяно принявшимся за дело, его огромных мощностей уже не хватает. Поэтому 14 февраля 2013 года гигантский прибор был остановлен для осмотра и, при необходимости, замены части оборудования, обеспечивающего его работу. И это стало отличным поводом подвести некоторые промежуточные итоги.
Суета вокруг бозона
Пожалуй, самым главным результатом экспериментов стало то, что ученые наконец-то зафиксировали мифическую Частицу Бога – бозон Хиггса. Ее существование было предсказано еще полвека назад – и это стало основой разработки «библии современной физики» – Стандартной модели. С тех пор ученые искали факты, способные подтвердить или опровергнуть их теории. Однако безуспешно – до тех пор, пока в июле прошлого года не было официально объявлено: бозон Хиггса, возможно, найден! Правда, сначала исследователи не поверили собственным глазам – результат перепроверяли несколько раз. И даже после этого руководители лабораторий CERN высказывались крайне осторожно. Однако, в конце концов, Частица Бога превратилась из мифа в еще одну физическую константу.
Правда, подтверждение открытия оказалось лишь половиной дела – страсти вокруг бозона не утихают до сих пор. Первые же показания по распаду частицы на составляющие – 2 фотона и два Z-бозона – не совпадали с расчетными: результаты превысили ожидаемые почти вдвое! Это было настолько неожиданно, что ученые заговорили о необходимости разрабатывать новые законы физики!
Впрочем, эйфория продлилась недолго: результаты повторных исследований оказались гораздо ближе к теории, хотя для верности опыты провели двумя разными способами. А все последующие эксперименты и вовсе выдали данные, полностью совпадающие с теоретическими, предсказанными Стандартной моделью. Вопрос «Новой физики» ушел с повестки дня, и, похоже, надолго.
Несмотря на то, что бозон Хиггса в целом ведет себя в рамках Стандартной модели, уже сейчас стало очевидно, что она никак не может считаться окончательной теорией элементарных частиц. Мир гораздо сложнее, чем считала наука – и «библия физиков» является только частью некой более глобальной и до конца не разработанной теории строения Вселенной, условно называемой «Новой физикой». Вернее, одной из множества теорий, предложенных учеными. Поиск ответа на вопрос, какая из них ближе всего к истине – одна из главных задач, которые поможет решить Большой адронный коллайдер.
Тем не менее, даже такая противоречивость результатов оказалась очень интересной научной проблемой. Ученые задумчиво рассуждают о загадочной статистической флуктуации – случайном отклонении от среднего значения. Однако остается вопрос: что могло вызвать такое колебание показателей.
Интригу обостряет то, что точность приборов, фиксирующих результаты подобных экспериментов, может оказаться условной: у человечества не так уж много опыта в таких исследованиях. К тому же уже в марте этого года одна из лабораторий CERN – ATLAS – опубликовала очередные результаты – и они снова превысили норму в 1,65 раза!
Это стало настоящим шоком – ведь до этого момента все укладывалось в общую теорию! – и породило множество новых предположений. Кто-то заявил, что статистические флуктуации имеют свойство периодически повторяться, и нужно только найти закономерность их появления. Другие сделали еще более смелое предположение – бозона Хиггса на самом деле… два! А то и больше… Однако вопрос, разные ли это частицы или одна и та же, но в разных состояниях, не проработан даже теоретически.
Объяснения странному поведению Частицы Бога пока нет. Когда же оно будет найдено, это, вероятно, в очередной раз перевернет все представления науки о Вселенной и происходящих в ней физических процессах. Впрочем, ответов придется подождать: ускоритель частиц, который мог бы дать их, снова вступит в строй не раньше ноября следующего года.
Обнаружение бозона Хиггса стало, пожалуй, самым значительным результатом работы Большого адронного коллайдера. Но не единственным и даже не первым. Годом раньше ученые зафиксировали другое, не менее интересное явление: рождение так называемого истинного кварка – самой тяжелой из известных элементарных частиц. Правда, такое уже наблюдалось раньше – на ускорителе частиц Теватрон в штате Иллинойс. К тому же в глазах широкой общественности по сравнению с нашумевшей Частицей Бога это открытие выглядело второстепенным. Однако для ученых все иначе: Большой адронный коллайдер оснащен гораздо более точными детекторами, так что сверхтяжелый кварк был досконально изучен именно сейчас.
Теории апокалипсиса
Давно замечено: любое фундаментальное открытие вызывает странный резонанс – всплеск апокалиптических настроений сначала в научном мире, а потом и в обществе. Обнаружение Частицы Бога в этом плане стало очень показательным примером.
18 февраля 2013 года на собрании Американской ассоциации содействия развитию науки выступил физик-теоретик Джозеф Ликкен из лаборатории имени Энрико Ферми. Заявление, сделанное им перед десятками ученых, было сенсационным: взяв за основу массу бозона Хиггса – 126 гигаэлектронвольт, – ученый из Иллинойса произвел ряд вычислений и пришел к выводу, что наш мир неминуемо погибнет!
Расчеты Ликкена наглядно демонстрируют: Вселенная крайне нестабильна, и любая случайность может привести к ее уничтожению. Правда, пример такой случайности, приведенный ученым, не выглядит событием, которое происходит каждый день. Возможной причиной катастрофы он назвал… образование новой Вселенной! По его словам, когда-нибудь возникнет крошечный пузырек иного пространства, который, раздуваясь, будет поглощать нашу Вселенную.
Правда, сам ученый признает, что волноваться человечеству пока рано: это событие произойдет не раньше, чем через несколько десятков миллиардов лет.
Разумеется, у теории Ликкена тут же нашлось множество компетентных критиков. Во-первых, утверждают они, так называемое «иное пространство» – то есть различные формы вакуума – существовало с момента зарождения Вселенной и никоим образом ей не угрожало. Во-вторых, даже если принять к рассмотрению такую теорию, то она является всего лишь одной из многих, описывающих поведение Частицы Бога – и совсем не факт, что события будут развиваться именно по этому сценарию. К слову, что касается самого бозона, то ученые CERN уже доказали: он абсолютно стабилен. «Абсолютно» в данном случае означает, что частица безопасна не только в состоянии покоя, но и в процессе распада.
Впрочем, кто прав, судить сложно. Смоделировать описанную Ликкеном ситуацию не поможет никакой коллайдер. Произвести же наблюдения «в полевых условиях» и того сложнее: никто из сторонников и противников теории гибели Вселенной до описанных событий – даже если они случатся – попросту не доживет.
К слову, и сам коллайдер в свое время стал поводом для апокалиптических прогнозов разной степени обоснованности. Самой главной «страшилкой», связанной с гигантским ускорителем частиц, стала вероятность образования в процессе его работы черных дыр. Расхожее мнение о возможности такого варианта развития событий поддерживала даже часть ученых – коллайдер тогда прозвали «орудием конца света». Однако другие категорически отрицали такую вероятность.
По прошествии времени можно выделить три категории людей, рассуждавших о черных дырах. Первые утверждали, что процесс ускорения частиц будет порождать их великое множество – по несколько тысяч в секунду. И каждое из этих образований, теоретически, сможет начать с огромной скоростью поглощать окружающие частицы и за их счет становиться все больше и стабильнее. В конце концов, какая-нибудь черная дыра вырастет и буквально за доли секунды «проглотит» не только сам коллайдер, но и Землю, и даже всю Солнечную систему, вплоть до Плутона и самой звезды.
Другие также не отрицали возможности образования подобных потенциально опасных объектов. Однако они утверждали, что их рост маловероятен. К тому же процесс пойдет во много раз медленнее, чем в первом сценарии, и люди успеют оценить ситуацию и отключить прибор.
Третьи заявляли, что черные дыры в коллайдере, возможно, и могут образоваться – чисто теоретически. Но вероятность такого события исчезающе мала.
Все эти мнения были не голословны: каждый ученый – приверженец одной из теорий – старался обосновать свою точку зрения с помощью теоретических выкладок, расчетов, практических экспериментов. Но только сейчас, спустя 4,5 года после запуска адронного коллайдера, можно с уверенностью заявить: правы были именно последние. Сегодня ученые сообщают, пожалуй, даже с оттенком разочарования: за все прошедшее время ни следа черных дыр в ускорителе частиц так и не обнаружилось. А значит, никакой опасности для нашего мира нет – как и новых научных данных, которые, возможно, могли бы еще раз сотрясти основы физики и приоткрыть завесу над тайнами Вселенной.
Впрочем, энтузиазм любителей порассуждать о конце света не угасает. А закрытие коллайдера даже подхлестнуло их воображение. Неутомимый Интернет вовсю распространяет слухи о том, что ускоритель частиц спешно остановлен из-за какой-то нештатной ситуации, чуть ли не в аварийном режиме. Разумеется, кто-то не преминул додумать – мол, внутри прибора образовалась самая настоящая черная дыра, и остановить ее рост ученые успели только чудом. Правда, как это мнение сочетается с тем, что о свертывании исследований и закрытии ускорителя частиц на профилактику было объявлено чуть ли не год назад, сказать сложно…
Пока вокруг знаменитого прибора кипят апокалиптические страсти, наука не стоит на месте. И более того, не ограничивается только коллайдером. Это наглядно доказали итальянские ученые еще в 2010 году, когда в одной из лабораторий без всякого ускорителя частиц, с помощью обычного лазера, создали главную «страшилку» кликуш от науки – черную дыру. Вернее, ее имитацию – стабильную, но вполне убедительную.
Направляя лучи лазера через образчики стекла идеальной чистоты, физики смогли добиться удивительного эффекта: когда плотность материала или интенсивность свечения луча превысили определенный уровень, атомы, составляющие стекло, начинали выходить из своего изначального положения. В результате свет не просто преломлялся – образовывалась зона, в которой он просто не мог двигаться дальше. Именно это, по словам ученых, происходит в черной дыре – правда, не только со светом, но и со всеми излучениями и объектами. Разумеется, этот результат не был самоцелью – загадочное явление дает возможность производить различные эксперименты, в том числе, не связанные с черными дырами как таковыми.
А в прошлом году на Земле появилась еще одна черная дыра: успех итальянских коллег повторили китайские физики. Правда, технология была немного другая – этот искусственный объект представляет собой конструкцию из нескольких десятков полос из сложных полусинтетических материалов. С его помощью ученым удалось сымитировать искривление пространства-времени.
Пока, правда, прибор работает в микроволновом спектре. Однако эксперименты продолжаются. Их цель – заставить его улавливать видимый свет. К слову, проводя их, создатели китайской черной дыры ставят перед собой абсолютно практические задачи: например, разработать сверхэффективную солнечную батарею.
Финальные аккорды
И все же, хотя остановка коллайдера была плановой, без некоторых проблем не обошлось. Под занавес сложный и капризный прибор забарахлил, как бы подтверждая необходимость профилактического осмотра и поторапливая людей.
14 февраля закончилась очередная серия экспериментов, длившаяся целый месяц, – последняя на этом этапе работы ускорителя частиц. И, пожалуй, самая проблемная. Всю первую неделю коллайдер держал в напряжении ученых и технический персонал. Поломка следовала за поломкой, тонкие, сверхчувствительные вспомогательные приборы то не срабатывали вовсе, то, наоборот, срабатывали слишком рано. Экспериментаторы жаловались на плохую управляемость пучка частиц.
Причиной, по оценкам специалистов, стала недавняя временная остановка ускорителя – на рождественские каникулы. Даже такой краткий простой сказался на работе прибора.
Впрочем, неполадки были устранены и дальнейшие эксперименты проходили без дополнительных проблем. Зато не обошелся без сюрпризов процесс отключения: из строя вышла система, сигнализирующая о неполадках. Так что в ночь с 15 на 16 февраля окрестности коллайдера то и дело оглашал рев сирен. Справиться с автоматикой так и не удалось – техникам пришлось попросту отключить ее и перейти на ручное управление.
Но что же дальше? А дальше все просто. Серия тестов – на этот раз сам коллайдер станет объектом исследования. В частности, предстоит тщательно проверить систему магнитов – напоминаем, что именно сбой в их работе стал причиной прошлой остановки прибора.
Проверив все системы и устранив текущие неполадки, специалисты заменят изрядную часть узлов ускорения на более современные и совершенные. Также обновятся многие детекторы – это должно позволить ученым в будущем получать более точные данные – и существенная часть электроники.
Однако это еще далеко не все: планируется глобальная модернизации ускорителя частиц. Например, в тоннеле появятся дополнительные системы, с помощью которых мощность коллайдера – и без того огромную! – можно будет удвоить.
Кроме того, планируется ввести в строй новый, более совершенный ускоритель протонов – «первую ступень», которая поставляет в БАК элементарные частицы.
Сложнее, дороже, мощнее!
Планируется, что обновленный ускоритель частиц позволит физикам решать сложнейшие задачи. Однако некоторые ученые уже сегодня уверены, что даже этого для их целей недостаточно. И дело даже не в том, что им не хватит удвоенной мощности – просто для некоторых экспериментов нужны принципиально новые приборы.
В первую очередь они требуются физикам, изучающим прошлогоднюю сенсацию – Частицу Бога. За недолгое время, прошедшее с момента ее обнаружения, успела сформироваться целая отрасль науки – физика хиггсовского бозона. Оказалось, что команда CERN открыла больше, чем просто частицу. Бозон стал идеальным материалом: изучая его свойства – как он рождается, расщепляется, взаимодействует с другими частицами, – можно подтвердить или опровергнуть все современные теории элементарных частиц.
И коллайдер оказался не самым удачным инструментом для развития физики бозона. Дело в том, что, по словам ученых, этот прибор идеально подходит для того, чтобы обнаружить его, но не для того, чтобы досконально изучить. Во-первых, коллайдер слишком большой и мощный, чтобы добиться нужной точности управления потоком частиц. К тому же в нем сталкиваются протоны – а это хотя и мощный, но слишком грубый инструмент.
Во-вторых, и это не менее серьезная проблема, детекторы, которыми он оснащен, недостаточно чувствительны, чтобы ученые смогли получить точные данные. Поэтому уже сейчас существует идея создать новый ускоритель, больше подходящий для решения этой задачи – так называемую «фабрику частиц».
Правда, пока физики не определились, какой именно должна быть «фабрика бозонов». Для рассмотрения и оценки вариантов в ноябре прошлого года была созвана конференция. На ней научное сообщество четко сформулировало задачи, которые должно выполнять новое устройство, и ознакомилось с самыми разнообразными проектами. В результате к рассмотрению были приняты три варианта ускорителя частиц – электрон-позитронный, фотонный и мюонный коллайдеры. Правда, до окончательного выбора пока далеко. Причина проста: создание любого из этих приборов – долгий, трудоемкий и дорогостоящий процесс. Например, если начать строительство сейчас, электрон-позитронный ускоритель можно будет запустить примерно через 20 лет, а фотонного и мюонного придется ждать еще дольше. К тому же технологии, которые потребуются для реализации любого из вариантов, пока еще не до конца разработаны – и следует очень хорошо подумать, прежде чем определиться с направлением исследований. Так что, если выбор окажется неверным, получение научных данных будет отложено на очень долгий срок.
Ученые, занимающиеся физикой хиггсовского бозона, не одиноки: примерно такие же проблемы обнаружились и у тех, кто занимается другим разделом науки – изучают протоны сверхвысокой энергии. Оказалось, что гигантский ускоритель протонов не отвечает и их запросам. Для решения задач тут нужен не протон-протонный, а электрон-протонный коллайдер. Конечно, одно такое устройство, HERA, уже существовало – оно находилось в Гамбурге и исправно работало более полутора десятка лет: с 1991-го по 2007 год. Однако наука не стоит на месте – прибор устарел, мощностей стало не хватать, и HERA отключили. Строить же новый коллайдер такого типа пока никто не собирается.
Однако ученые нашли выход: все-таки использовать БАК. Но не в том виде, в котором он существует теперь – специалисты предложили проект своеобразной «надстройки», позволяющей переключать гигантский ускоритель частиц в другой режим.
Конечно, проработка этой технологии и ее реализация потребуют времени и больших затрат, поэтому во время текущей модернизации реализовать проект не удастся. Пока специалисты называют ориентировочные сроки в 9–10 лет – то есть надстройка заработает не раньше, чем в 2022 году.
Закрытие Большого адронного коллайдера, казалось бы, должно было затормозить науку. Однако на деле это не так. Ученые CERN отнюдь не настроены скучать. Ведь в последние годы они получали столько научных данных, что зачастую успевали только задокументировать их – и не больше. Теперь же работа физиков вступила в новую фазу – точных расчетов и построения на их основе новых, прогрессивных теорий об устройстве Вселенной.
