Самый дорогой, самый большой и самый сложный

Фиксировать рождение долгожданного бозона Хиггса, или суперсимметричных частиц, будут четыре гигантских детектора (один из них – на снимке), расположенных под землей на глубине 100 метров.
Фото: gridpp.ac.uc

Сегодня, 10 сентября, в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) должен состояться первый запуск Большого адронного коллайдера (Large hadron collider, LHC). Этот громадный 27-километровый кольцевой туннель, на 100 метров закопанный в землю, внутренности которого уже заморожены до 1,9 градуса Кельвина (–271,4 градуса по Цельсию), после многих задержек наконец-то заработает. Cобытие будет в прямом эфире транслироваться по Евровидению.

Проект был задуман еще в 1984 году, а реализовываться начал в 2001-м. На строительство коллайдера потрачено около 8 млрд. долл. Самый дорогой, самый большой и самый сложный экспериментальный прибор в истории человечества! Ожидается, что эксперименты на LHC позволят обнаружить давно предсказанную, но до сих пор не пойманную частицу – бозон Хиггса. Для этого физики намерены сталкивать в туннеле пучки протонов с энергией до 14 тераэлектронвольт (1.4х1013 ТэВ). До самих экспериментов пока еще далеко, это будет пробный запуск, первая попытка прогнать пучок нейтронов по всей длине кольца, разогнав их до 0,45 ТэВ. Если все пройдет удачно, энергия пучка будет постепенно увеличиваться, а расчетной величины, по планам, она достигнет лишь к 2010 году.

Это будут, наверное, самые волнующие физические эксперименты. Можно сказать, что мир замер в тревожном ожидании. Неспециалисты опасаются очередной страшилки о том, что эксперименты на LHC превратят Землю в черную дыру, специалисты – того, что им и впрямь удастся обнаружить бозон Хиггса. Парадоксально – ученые не хотят обнаруживать новую частицу!

«Главное, на что мы надеемся, – заявил в беседе с корреспондентом «НГ» сотрудник Института экспериментальной и теоретической физики, член-корреспондент РАН Борис Иоффе, – это обнаружить что-нибудь такое, чего мы вовсе не ждали. Приведу мнение нобелевского лауреата Дэвида Гросса. Приехав однажды в наш институт, он сказал в докладе, чего, по его мнению, следует ожидать от LHC.

Первый и самый неприятный вариант – если будет обнаружен бозон Хиггса и больше ничего. Это, конечно, будет еще одним подтверждением правильности Стандартной модели – теории, описывающей поведение элементарных частиц, которой мы пользуемся.

Но, с другой стороны, это не будет новостью – бозон Хиггса давно предсказан. В этом случае на следующий ускоритель денег нам скорее всего не дадут. Налогоплательщики просто не захотят выбрасывать миллиарды, не получая взамен ничего нового.

Второй вариант – бозона Хиггса не обнаружат. Это будет значить, что со Стандартной моделью что-то не так и есть что-то еще, что управляет физикой нашего мира. Или, может быть, бозон Хиггса надо искать при более высоких энергиях. Тогда деньги, может быть, и дадут, хотя и со скрипом.

Третий и самый лучший вариант – неожиданность. Скажем, бозона Хиггса не найдут, а найдут суперсимметричные частицы, предсказанные, кстати, российским физиком Юрием Гольфандом. Под суперсимметрией подразумевается симметрия между бозонами и фермионами – элементарными частицами с целочисленным спином и спином ╫. В Стандартной модели до этого симметрия вводилась отдельно для бозонов и фермионов. И такая находка будет настоящим подарком. В принципе в экспериментах на LHC суперсимметричные частицы обнаружить можно. Чего там сделать нельзя, так это исследовать их – для этого LHC не очень подходит. И, значит, появятся большие шансы на строительство ускорителя, более подходящего для такой цели».

Такой ускоритель давно уже обсуждается – это международный линейный коллайдер (ILC). Он будет раз в пятнадцать меньше по мощности, но нацелен специально на исследование суперсимметричных частиц, хотя обойдется странам-участницам примерно в ту же сумму, что и LHC. «Но строить его, – убежден Борис Иоффе, – будут только в том случае, если LHC обнаружит суперсимметричные частицы».

Заметим, что эта коллизия с коллайдерами постепенно перерастает не просто в физическую, но и мировоззренческую проблему. Сегодня многие эксперты высказывают мнение, что в любом случае, дойдет ли дело до строительства следующего коллайдера или не дойдет, эра ускорителей подходит к концу. Об этом еще в восьмидесятых годах предупреждал один из создателей Стандартной модели, лауреат Нобелевской премии выдающийся физик-теоретик Абдус Салам.

«Я совершенно согласен, – подчеркнул, комментируя возможность такого развития событий, Борис Иоффе. – Стандартная модель многократно проверялась «на прочность», и есть только одно-единственное пятнышко на ее репутации, которое заставляет подозревать, что она неполна. Это нейтринные осцилляции – эффект, при котором нейтрино одного типа по дороге из космоса к Земле превращается в нейтрино другого типа. Стандартная модель этого не допускает, и сегодня никто не знает, что с этим делать. Возможно, эту загадку и можно будет разрешить с помощью ускорительной техники, хотя я совершенно не представляю, как это можно сделать».

Но есть еще и другая проблема, решить которую, по мнению ученого, попросту невозможно.

«Дело в том, что Стандартная модель не учитывает гравитации, – поясняет Борис Иоффе. – Гравитацию не удается объединить с другими типами взаимодействия. На сегодняшних ускорителях мы, если говорить в терминах расстояния, работаем на уровне примерно десять в минус семнадцатой степени метра. Гравитация же начинает проявлять себя при расстояниях десять в минус тридцать третьей степени метра. Для того чтобы до нее добраться и, таким образом, сшить эти два «куста» – Стандартную модель и гравитацию, – нужно строить ускорители, которые мощней сегодняшних на пятнадцать порядков, что, сами понимаете, невозможно. Даже если найдется человек с тысячью Эйнштейнов в голове и придумает теорию, объединяющую и гравитацию, и все остальное, и его теория будет настолько убедительна, что все поверят в нее, то все равно эту теорию нельзя будет проверить экспериментально. Как устроен мир на самом деле, человечество никогда не узнает».

 Справка НГ: Большой адронный коллайдер

Большой адронный коллайдер (Large Hadron Collider, LHC) – самая большая и самая сложная экспериментальная установка в области физики элементарных частиц. Это кольцевой ускоритель заряженных частиц на встречных пучках длиной 26,65 км. Кольцо это на глубине 100 м пролегает под территориями Швейцарии и Франции.

С помощью семи тысяч сверхпроводящих магнитов LHC будет разгонять протоны до энергий, каких еще никогда не добивались в ускорителях (7 тераэлектронвольт). При выходе на проектную мощность все циркулирующие в нем протоны будут нести энергию, примерно равную кинетической энергии 900 автомобилей, едущих со скоростью 100 км/ч, или достаточную, чтобы вскипятить две тонны воды. Их пучки будут сталкиваться 30 миллионов раз в секунду, и при каждом таком столкновении будут рождаться тысячи элементарных частиц.

Почти 100 миллионов каналов данных, идущих от каждого из детекторов, могли бы за секунду заполнять 100 тысяч компакт-дисков, которые за шесть месяцев могли бы образовать штабель, достигающий Луны. Поэтому данные будут тщательно фильтроваться; регистрировать будут только по сто самых интересных столкновений в секунду. Для обработки прошедших через фильтр данных создана распределенная вычислительная сеть ГРИД, объединяющая десятки тысяч компьютеров в институтах мира.

На LHC установлены четыре детектора: ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS), CMS (Compact Muon Solenoid), LHCb (The Large Hadron Collider beauty experiment) и ALICE (A Large Ion Collider Experiment). Детекторы ATLAS и CMS предназначены для поиска бозона Хиггса, на LHCb будет исследоваться физика b-кварков, а детектор ALICE предназначен для поиска кварк-глюонной плазмы.