Ставки в этой игре очень высоки. В случае успеха экспериментаторам гарантирована Нобелевская премия, а о том, что ждет всех нас в случае провала эксперимента, идут самые ожесточенные споры. Но все сходятся в одном: это самая наглая попытка людей поставить себя на место Бога и проверить, в чем состоял промысел Творца…
Большой адронный коллайдер потому и называется Большим, что он во всех отношениях «самый-самый». Самый мощный, самый точный, самый дорогой — его строительство уже обошлось Европейской организации по ядерным исследованиям CERN (Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire) в 6,3 миллиарда евро.
При всем этом Большой адронный коллайдер — это не просто установка. Это самое совершенное гигантское сооружение, которое когда-либо изготавливали люди, огромный подземный город, построенный в скалах на глубине 100 метров. Наверху течет размеренная жизнь тихого пригорода Женевы, а внизу расположено 27-километровое кольцо, по которому будут носиться протоны — ядра водорода, разогнанные почти до скорости света. Потом эти частицы столкнутся с другим точно таким же пучком протонов, и во время столкновения выделится такая чудовищная энергия, что осколки материи образуют то самое подобие протоплазмы, которая когда-то бушевала в первые мгновения существования Вселенной после Большого взрыва. Поскольку в состоянии протоплазмы материя существовать не может, то в ничтожные доли секунды она перейдет в какое-то другое, еще неизвестное науке состояние. Превращение материи при этом будет сопровождаться выделением миллионов различных частиц и волн, поймав которые физики надеются наконец ощутить присутствие Бога и понять замысел Творца.
Чтобы нагляднее представить себе этот эксперимент, физики приводят такой факт: во избежание каких-либо нежелательных последствий модель Большого взрыва будет удерживаться в абсолютном вакууме сверхпроводящими магнитами такой мощности, что если во время эксперимента рядом с туннелем поставить грузовик «КамАЗ», то магнитное поле в доли секунды расплющит его в тончайший лист фольги, обернутый вокруг стенок «трубы».
Но еще больше поражает воображение другой факт: вся эта женевская махина была построена лишь ради одной-единственной цели: физики хотят узнать, есть ли в действительности так называемый бозон Хиггса, существование которого было предсказано много лет назад. Именно эту неуловимую элементарную частицу ученые и называют «частицей Бога».
ПРОКЛЯТИЕ ФИЗИКОВ
— Почему всех физиков интересует бозон Хиггса? — объясняет главный научный сотрудник Института ядерных исследований РАН академик Валерий Рубаков. — Дело в том, что ученые создали так называемую Стандартную модель, которая довольно точно объясняет многие принципы мироздания и возникновения Вселенной. Но вся эта красивая теория может просто рухнуть, если физики-ядерщики не поймают этот самый бозон — «кирпичик», предсказанный лишь только в теории.
Еще 100 лет назад все продвинутые ученые думали, что материя состоит из двух-трех типов молекул. В начале прошлого века в физике прочно утвердилась так называемая модель атома Резерфорда, состоявшая из ядра-протона, вокруг которого вращался электрон. В 30-е годы в атом ввели еще одну элементарную частицу — нейтрон, дополнившую протон в ядре атома. Потом выяснилось, что таких «кирпичиков» материи может быть гораздо больше. Так, в 60-е годы — в «золотую эпоху» физики — возникло понятие кварков, то есть того, из чего состоят уже сами элементарные частицы. А в первой половине 70-х была сформулирована так называемая Стандартная модель.
Согласно этой модели, мироздание построено по принципу конструктора «Лего»: есть три типа кварков, которые отдельно друг от друга существовать не могут. Кварки соединяются между собой посредством еще одной элементарной частицы — глюона. В одном сочетании из трех кварков получается протон, в другом — нейтрон. Плюс еще есть электроны, нейтрино и более тяжелые аналоги, которые связаны между собой тремя типами взаимодействий — электромагнитным, ядерным и слабым; кроме этого, отдельное место в мироздании занимает и гравитация.
Но, как писал один из старейших сотрудников CERN Гордон Фрейзер в своей книге «Антиматерия: зазеркальные миры», «Стандартная модель взаимодействия элементарных частиц стала одновременно и величайшим достижением физики второй половины XX века, и ее величайшим проклятием». Дело в том, что все эксперименты в области физики элементарных частиц либо подтверждали теоретические предсказания модели, либо требовали ее постоянного исправления. Так, например, в 1974 году нобелевский лауреат по физике Сэмюэл Тинг открыл новую элементарную частицу — так называемый «очарованный кварк», благодаря которому была переписана вся теория электрослабых взаимодействий. Зато вот в 1983 году на протон-антипротонном коллайдере SpS в CERN были найдены два новых типа бозонов — переносчиков слабого взаимодействия, все свойства которых были заранее предсказаны Стандартной моделью.
Тем не менее за годы экспериментов ученые осознали, что Стандартная модель может быть и не единственной схемой взаимодействия элементарных частиц. Так появились новые фундаментальные теории строения мироздания — например, Теория суперструн, в которой изучаются не точечные элементарные частицы, а протяженные объекты — ультрамикроскопические струны. Причем в последнее время Теория суперструн набирает все больше поклонников и не в последнюю очередь благодаря тому, что эта модель мироздания предполагает равноправное сосуществование огромного множества различных вселенных, а не только той, в которой мы существуем.
ТЯЖЕСТЬ ПОЛЯ
Чем же не устраивает физиков Стандартная модель? Ответ прост: тем, что система взаимодействия трех видов кварков никак не дает ответа на вопрос: откуда же взялась гравитация и такое привычное всем нам понятие, как «масса тела»?
— Как это ни удивительно, но если отвлечься от того, что мы видим в природе, и попытаться с чистого листа написать теорию элементарных частиц, то большинство из них не будет иметь никакой массы, — объясняет академик Валерий Рубаков. — Все элементарные частицы в теории будут летать со скоростью света и не будут обладать никаким весом. Но ведь у обычного вещества масса есть, это без всякой физики видно. А как она получается — непонятно…
Для объяснения этого парадокса и была придумана теория бозона Хиггса.
— Это скорее какое-то новое поле, которое пронизывает все на свете, — поясняет Валерий Анатольевич. — Еще это поле можно сравнить с морем, а рябь на этом море — и есть те самые бозоны.
Элементарные частицы плавают в этом «море» и за счет взаимодействия с «водой» — полем — становятся массивными. Частицы проталкиваются сквозь это поле, и оно их тормозит. Правда, это пока лишь гипотеза, но для ее подтверждения физикам и нужно обнаружить это поле. Даже не само поле, а только след от него — тот самый бозон Хиггса. Другое дело, что для того, чтобы обнаружить этот бозон, физикам необходимо каким-то образом потревожить само поле. То есть устроить подобие Большого взрыва.
ХИГГС И БОГ
Этот неуловимый бозон был назван в честь почетного профессора Эдинбургского университета 79-летнего Питера Хиггса, который и придумал «отягощающее» поле в 1964 году. И все эти годы только и ждал подтверждения своим математическим выкладкам.
Хиггс родился в семье звукооператора радиостанции ВВС и с детства увлекался физикой. Еще больше его намерение посвятить себя науке укрепило успешное испытание атомной бомбы, после которого во всем мире начался «бум физиков» — все школьники только и мечтали сидеть в лаборатории с синхрофазотронами. Однако после окончания средней школы в Лондоне он по совету отца поступил на математический факультет Королевского колледжа Лондона, где получил научную степень по теоретической физике и философии.
Затем, уже работая преподавателем в Эдинбургском университете, Хиггс заинтересовался Стандартной моделью и сформулировал свою теорию незримого поля, состоящего из бозонов — частиц, почти целиком состоящих из массы. К некоторым частицам бозоны «прилипают», увеличивая их вес («Как подхалимы к политику», — уточняет профессор), а другие частицы — например, фотоны света — свободно пролетают мимо, никак не обременяя себя.
Правда, поначалу все физики отнеслись к работе Хиггса более чем скептически. Когда Хиггс попытался было опубликовать свою статью в научных журналах Physics Letters и European Physics Journal, редакторы вернули ему текст с припиской: «Сожалеем, но все это не имеет очевидного отношения к науке». Только американский American Physics согласился опубликовать работу преподавателя, да и то в урезанном виде. И лишь после того, как бельгийские физики Робер Бру и Франсуа Энглер пришли к аналогичным выводам о природе появления массы, Хиггса стали воспринимать всерьез.
Примечательно, что сам Хиггс, будучи убежденным атеистом, возмущался, когда его поле газетчики окрестили «Божественной частицей» — это название придумал нобелевский лауреат и директор Лаборатории Ферми Леон Ледерман, который был одержим идеей массовой популяризации физики среди общественности. Понятно, что звучное название привлекало внимание не только простых граждан, но и научных фондов, выделяющих гранты на исследования. Говорят, когда Хиггс стал протестовать против упоминания Господа, то Ледерман, ухмыльнувшись, предложил изменить название бозона на «проклятый» — из-за его неуловимости. Хиггс подумал и согласился на Бога, а сейчас и сам часто упоминает это название.
— Я уверен, что открытие не за горами, — заверил профессор Хиггс журналистов французской Courrier International после посещения коллайдера в CERN. — И тогда я определенно откупорю какую-нибудь бутылку.
ГОНКА ЗА ХИГГСОМ
Гонка за бозоном Хиггса началась уже в конце 70-х, и никто не сомневался, что ее выиграют США: американцы тогда решили построить настоящий суперколлайдер SSC длиной в 97 км — в три раза больше европейского. Но строительство надолго затянулось, расходы в два раза превысили первоначальную смету, и конгресс США в 1993 году прекратил финансирование эксперимента. Теперь, говорят, в недостроенном 97-километровом «бублике» выращивают шампиньоны.
Свой проект коллайдера был и в советском Институте физики высоких энергий АН СССР. Еще в 1983 году в поселке Протвино под Серпуховом был прорыт 20-километровый тоннель под новый ускоритель УНК (ускорительно-накопительный комплекс протонов), но потом развал СССР остановил это строительство. Сейчас специалисты ИФВЭ лишь поддерживают кольцо тоннелей в рабочем состоянии, даже не мечтая о том, что ускоритель когда-нибудь заработает.
Так что теперь единственным участником гонки за «Божественной частицей» остался CERN. Еще в 1988 году бозон Хиггса попытались поймать на специально построенном электрон-позитронном коллайдере LEP, но долгие опыты не увенчались никаким успехом. Следивший за экспериментами Питер Хиггс объяснял неудачи малой мощностью ускорителя, но генеральный директор CERN Лучано Майани объявил, что помимо следов W- и Z-бозонов «почти удалось увидеть и бозон Хиггса». Понятно, эти слова только раздразнили воображение, было принято решение строить новую, более мощную установку.
МОМЕНТ ИСТИНЫ
Но что будет, если в этот раз бозон Хиггса не обнаружат?
Российские физики считают, что для науки ничего трагичного не произойдет, ведь эксперимент так или иначе, но поможет ученым заглянуть за пределы Стандартной модели. В частности, ученые расчитывают обнаружить частицы темной материи — вещества, из которого состоит 96 процентов материи во Вселенной. Темной ее назвали по той причине, что это вещество не видно, поскольку оно очень слабо взаимодействует с нашим обычным веществом и проявляется только вследствие воздействия гравитации. Часть физиков намерена поймать реликтовое излучение — останки некоего поля, сформировавшегося в первые секунды после Большого взрыва. Третьи намерены исследовать свойства субатомной частицы B_s-мезон, с помощью которого, возможно, удастся прояснить один из основных вопросов современной космологии —отсутствие антиматерии во Вселенной. Если, согласно общепринятой теории, во время Большого взрыва материя и антиматерия образовались в одинаковом количестве, то должны были аннигилировать в чистую энергию. Однако этого не произошло, и ученые теперь собираются выяснить, куда подевались все античастицы. Кстати, именно в CERN еще 8 лет назад был впервые синтезирован атом антиводорода, так что сейчас исследователи полны самых радужных надежд.
Но вот для самого Питера Хиггса новый провал станет настоящей катастрофой.
— По-видимому, это обернется полным прекращением финансирования этого направления физики, — признался профессор Хиггс.—Если мы подведем международных партнеров, то после такого случая они просто перестанут нам доверять.
Впрочем, как считают в CERN, еще большей проблемой может стать как раз открытие бозона Хиггса, но только в том случае, если кроме него больше ничего не найдут. Тогда это будет уже даже не трагедия, а самый настоящий тупик для всей физики элементарных частиц. Ведь в этом случае ученым будет очень непросто убедить прижимистых лидеров ЕС и глав правительств стран — участниц проекта CERN выделить из бюджета еще десяток-другой миллиардов евро на строительство нового, еще более мощного ускорителя ILC (International Linear Collider), запуск которого уже включен в перспективные планы CERN на 2020-е годы. Спрашивается, зачем тогда строить еще один суперколлайдер, когда и так все известно?
Так что единственная надежда европейских физиков кроется в том, что гонка за секретами Бога никогда не закончится и замыслы Творца так и останутся непостижимыми.
Фото: REUTERS; MAXIMILIEN BRICE/CERN