Несколько дней назад, 4 июля 2012 года, весь научный мир буквально вздрогнул от удивления, услышав поразительную новость из Швейцарии. Физики, ведущие исследования на Большом адронном коллайдере, сделали официальное заявление: мифическая Частица Бога, несколько десятилетий занимавшая умы тысяч ученых, действительно существует.
Для ученых сенсационное открытие стало концом целой эпохи – существование элементарной частицы, названной бозоном, было предсказано еще полвека назад английским физиком-теоретиком Питером Хиггсом. Первая из его статей на эту тему увидела свет в 1964 году. Дальнейшие расчеты Хиггса стали очередным кирпичиком в построении так называемой Стандартной модели – теории, отражающей представления современной физики о материале, из которого построена сама Вселенная. Множество ученых рассчитывали теоретически и изучали на практике, как именно из фундаментальных частиц, настолько крошечных, что это даже невозможно представить, формируются электроны, атомы и молекулы.
Что же такое Стандартная модель? Это концепция, настолько же важная для физиков, как для химиков – периодическая таблица Менделеева. К ее созданию приложили руку величайшие умы человечества. Ученые смогли назвать 24 фундаментальные частицы – фермиона, – из которых формируется живая и неживая материя. Принципы теории Стандартной модели гласят, что в момент Большого взрыва, ставшего началом нашей Вселенной, именно под воздействием бозонов фундаментальные – т.е. простейшие, неделимые – частицы приобрели массу. Не случись этого – и из них попросту не смогла бы сформироваться материя. Физики утверждают, что поле Хиггса пронизывает всю Вселенную и с ним взаимодействуют все частицы, сохраняя тем самым способность объединяться в более сложные структуры – атомы и молекулы.
К созданию теории Стандартной модели человечество шло давно. Еще в 1897 году у ученых сформировалось представление об элементарных частицах – протонах и нейтронах. Много позже, в 1961-м, появилось понятие адрона и кварка, что и подтолкнуло науку к оформлению Стандартной модели. Однако изначально она сформировалась без учета Хиггсовской теории о бозонах, которая лишь после 1964-го была включена в стройную систему, рассчитанную учеными.
Наука развивалась – и все новые исследования подтверждали теорию практическими результатами. Лишь в последние годы – уже в нашем столетии – экспериментальные данные начали расходиться с расчетами. Однако до недавнего времени в научном мире шли споры – стоит ли включать бозон Хиггса в Стандартную модель. И только сейчас, 4 июля 2012 года, на этот вопрос был получен окончательный ответ.
Правда, годы исследований, не всегда дававших ожидаемые результаты, научили физиков осторожности. Потому заявление, сделанное в этот знаменательный день, звучало более чем сдержанно. В пресс-релизе, опубликованном на сайте CERN (Европейской организации по ядерным исследованиям) говорилось: в результате серии экспериментов была обнаружена новая элементарная частица, которая может быть бозоном Хиггса. Правда, с весьма высокой долей вероятности. Теоретически масса искомой частицы была определена в диапазоне 115–135 гигаэлектронвольт – для полученной же физиками она составила чуть более 125 ГэВ.
Долгожданные результаты были озвучены на открытом семинаре в CERN. Первым выступил представитель лаборатории CMS Джо Инкандела. Ученый рассказал, что он и более 3 тыс. его коллег проанализировали 5 сценариев распада гипотетической частицы – и два из них дали результат для массы около 125 ГэВ. Ученый подчеркнул, что бозон – это очень сложная частица, и ее свойства сильно отличаются от всего, обнаруженного ранее. «Мы проникаем в структуру мироздания глубже, чем кому-либо когда-либо удавалось. Это о чем-то говорит… Это – один из ключевых элементов структуры Вселенной… Мы находимся на рубеже нового открытия», – сказал Инкандела.
Вслед за ним слово взяла глава лаборатории ATLAS Фабиола Джианотти, представившая ученой общественности несколько другие данные – по частице массой около 126 ГэВ. Свой доклад она завершила словами: «На энергиях 126 ГэВ мы можем изучить новую частицу очень подробно. Спасибо, Природа».
В числе прочих на семинаре, посвященном открытию бозона, присутствовал и сам Питер Хиггс. 89-летний профессор с трудом сдерживал слезы радости. По его словам, он не ожидал, что его теория, разработанная полвека назад, подтвердится «так стремительно». Однако ученый отказался комментировать результаты исследований, заявив: «Я думаю, в настоящий момент было бы неуместным отвечать на какие-либо конкретные вопросы. Мы радуемся научному открытию, и я хотел бы поздравить всех, кто в этом участвовал».
Таким образом, факт открытия новой частицы был подтвержден. Конечно, ученые подчеркнули, что данные только предварительные и лабораториям предстоит еще огромная работа – изучить все свойства бозона Хиггса. Ведь пока они известны только в теории, и насколько практика подтвердит расчеты – неизвестно.
К этому событию ученые шли уже довольно давно. В CERN, на Большом электронно-позитронном коллайдере, зафиксировать бозон и тем самым доказать его существование физики пытались еще на рубеже ХХ и ХХI веков. Результатом экспериментов в 2001 году стало определение нижнего порога массы Частицы Бога – 114,4 гигаэлектронвольт.
Дальнейшие исследования переместились из Европы в США. Там, в лаборатории имени Ферми в штате Иллинойс, в 1983-м был сконструирован еще один ускоритель частиц – прибор под названием «Теватрон». В 2004 году после серии экспериментов американским ученым удалось определить верхнюю границу массы бозона – 251 гигаэлектронвольт, а цифра, названная физиками из CERN, была скорректирована до 114 ГэВ. Однако на этом исследования не остановились. Совсем недавно, в ноябре 2011 года, эти показатели снова были пересчитаны и по уточненным данным составили от 115 до 141 ГэВ. А спустя еще несколько недель, перед самым завершением работы «Теватрона», данные уточнили в третий раз, установив интервал от 115 до 135 ГэВ. Именно от этих показателей отталкивались ученые, работающие на Большом адронном коллайдере.
В лабораториях CERN работают тысячи ученых. Однако Частица Бога зафиксирована не только благодаря их усилиям. Представитель Европейской организации по ядерным исследованиям, выступивший на форуме Reddit, произнес благодарственную речь в адрес разработчиков операционной системы Linux. По его словам, она сыграла важнейшую роль в открытии бозона Хиггса. «Мы использовали Linux ежедневно для проведения наших анализов, – заявил ученый. – Теоретически, мы могли бы использовать Windows или устройство для обработки символов, записанных на ленте, но Linux выбран именно потому, что он лучше всех подходит для этой работы. Это стандартная платформа для параллельных вычислений, а Большой адронный коллайдер генерирует огромный объем информации для обработки, так что наш выбор продиктован той же логикой, какая действует при выборе Linux для параллельных вычислений. Естественно, важно, чтобы операционная система была бесплатна, открыта и надежна».
Впрочем, исследования CERN некоторое время велись параллельно американским. В 2010 году здесь в результате столкновения протонов были получены неустойчивые частицы – мюоны. Данные эксперимента позволили ученым предположить, что промежуточным звеном в процессе их образования как раз и был неуловимый бозон Хиггса. Однако повторить эти результаты, чтобы подтвердить теорию, физики так и не смогли.
В октябре 2011 года коллайдер достиг мощности, необходимой для того, чтобы «поймать» бозон Хиггса. А уже в декабре физики из лабораторий ATLAS и CMS объявили, что зафиксировали некоторые намеки на присутствие этой частицы. Однако для того, чтобы это доказать, мощность прибора следовало еще увеличить. К июню 2012-го плотность потока протонов в БАК была доведена до такого уровня, что бозон Хиггса мог бы появляться и распадаться там раз в час. Если, конечно, он действительно существовал. И первые результаты не заставили себя долго ждать. В блоге одного из сотрудников лаборатории, американского математика Питера Войота, появилось заявление: на основе данных главных детекторов – ATLAS и CMS – рассчитаны точные параметры бозона Хиггса – его масса равна 124 ГэВ. Однако эти выкладки оказались неточны. Существование новой частицы было доказано лишь теперь, 4 июля.
Исследования в этом направлении длились десятки лет. И сейчас, когда теории доказаны, ученые могут сделать следующий шаг на пути познания Вселенной.
Однако для непосвященного вопросы, связанные с исследованиями БАК, по-прежнему остаются тайной за семью печатями. И главный из них – в чем вообще состоит важность этого открытия? И действительно ли оно настолько важно? Что изменится в мире с открытием бозона Хиггса? Что принесет сенсационное достижение каждому из нас?
Уже то, что ученые смогли определить параметры Частицы Бога, дало им богатую пищу для размышлений. Ведь если бы бозон обладал иной массой, рождение Вселенной могло бы пойти совсем по другому сценарию. И теперь, получив новую информацию, физики смогут оценить, насколько правдоподобен каждый из известных сценариев Большого взрыва, и определить, как именно произошло это событие.
Эта проблема волнует и ученых – ведь в строительство Большого адронного коллайдера вложены миллиарды евро, и каждый день его работы увеличивает эту сумму.
По мнению Владимира Черняка, заведующего кафедрой общей и молекулярной физики Уральского федерального университета, результаты исследований смогут принести практическую пользу не так уж скоро – через несколько десятков лет. Тем более что фундаментальное открытие, изменившее картину мира, по словам ученого, – лишь первый шаг. Теперь предстоит грандиозная работа – изучить свойства частицы. Только после этого новое знание можно будет как-то использовать.
«Сколько я работаю в области физики – было открыто два десятка частиц, если не больше. При мне была открыта высокотемпературная проводимость. Вокруг мы слышим бесконечные разговоры про удивительные нанотехнологии. И что? Мир перевернулся? – заявил Владимир Черняк. – Должно пройти время. Сейчас идет накопление материала. Нужно все тщательно измерить, построить теории, увидеть закономерности и подумать о реализации хотя бы в исследованиях, а потом, возможно, и на практике. Пока само по себе то, что физики увидели, ни к чему не приведет. Да, это маленький шажок вперед, к пониманию микромира, но восторгов я бы пока не испытывал. Это вопрос нескольких десятков лет».
А вот профессор кафедры теоретической и экспериментальной физики Дальневосточного федерального университета, руководитель проекта «Ядерная медицина» доктор физико-математических наук Александр Молочков настроен гораздо более оптимистично. Он утверждает, что открытие бозона Хиггса даст практический результат очень скоро. Но важен не только факт достижения – исследования сами по себе уже принесли свои плоды. Ведь помимо поисков Частицы Бога, ученые используют коллайдер для множества других экспериментов, которые зачастую оказываются весьма полезны.
Словосочетание «Частица Бога», которым часто называют бозон, было впервые использовано американским ученым, лауреатом Нобелевской премии и премии Вольфа по физике профессором Леоном Ледерманом в названии книги, посвященной теории Питера Хиггса. Однако ученый совсем не намекал на религию – он лишь хотел подчеркнуть важность исследований в этом направлении. Кстати, сначала он назвал бозон «проклятой частицей», однако издателя не устроил этот вариант и Ледерман придумал новое определение. Когда книга увидела свет, колоритное иносказание тут же подхватили журналисты. А вот ученые его не любят, считая, что оно не отражает сути теории Хиггса.
Например, в том же CERN Тимом Бернерс-Ли была продумана концепция Интернета – он стал именно таким, каким мы видим его сейчас. Вот вам и практическая польза! Однако для ученых, работающих с коллайдером, это уже практически вчерашний день. Сегодня они используют собственную сеть – так называемую «решетку», GRID. Объединив тысячи процессоров, она обеспечивает невероятную мощность, которой с лихвой хватает для обработки огромного объема данных, поступающих с детекторов. Может быть, это следующий шаг в развитии компьютерной техники и Всемирной паутины?
Однако не только побочные результаты работы физиков могут принести практическую пользу. Само изучение элементарных частиц, вполне возможно, очень скоро изменит облик нашего мира. Уже сейчас на базе коллайдера возможно создавать новые, доселе неизвестные материалы и менять свойства уже изученных веществ. А может быть, именно в этих исследованиях кроется и решение энергетической проблемы? Или возможность разработать принципиально новые двигатели, оперировать массой веществ или даже гравитацией?
Александр Молочков сказал по этому поводу: «Когда Фарадей обнаружил закон электромагнитной индукции, он сам первым заявил о том, что от этого открытия пользы нет. Ну а теперь возможно ли представить мир без электричества? Ядерная энергия, также сначала не привлекшая к себе внимания, позже стала решающей в мировой экономике и политике. Так, любое открытие неизбежно влияет и на физику, и на жизнь общества – бозон в том числе. Ученые вскоре начнут применять это новое знание в своих исследованиях, и я уверен, практический результат от частички Хиггса предстанет перед нами скорее, чем мы думаем».
Большой адронный коллайдер, сконструированный для изучения природы материи, пожалуй, самый сложный, дорогостоящий и совершенный прибор, который когда-либо создавало человечество. И самый грандиозный – его масштабы и все цифры, связанные с ним, просто поражают воображение.
Длина тоннеля, в котором ученые с помощью 1624 сверхпроводящих магнитов разгоняют частицы, составляет 26,7 км. Сами магниты в рабочем состоянии охлаждаются до температуры 1,9 градуса по шкале Кельвина, или –271,3 С0 (всего на пару градусов теплее абсолютного нуля). Тоннель ускорителя можно назвать самым пустым местом в обозримой Вселенной: внутри него создан вакуум – атмосферное давление там составляет всего 0,1 от давления на Луне, где, как известно, атмосферы нет.
При таких условиях скорость, до которой разгоняются частицы, составляет 0,999999998 от световой, а количество их столкновений в разгар эксперимента достигает 800 млн. в секунду. При этом физики наблюдают за происходящими процессами и скрупулезно фиксируют все частицы и излучения, которые возникают в результате этих столкновений. Разумеется, увидеть их невооруженным глазом нельзя, однако ученые сконструировали 4 точнейших датчика – ATLAS, CMS, ALICE и LHCb. Данные, полученные каждым из них, регистрирует и анализирует отдельная лаборатория, в которой работает несколько тысяч ученых.
