8 Глубокий пас
8
Глубокий пас
Глава, в которой Рональд Рейган горой стоит за сверхпроводящий суперколлайдер, но, когда шесть лет спустя конгресс закрывает проект, от него остается только яма в Техасе
Опыт, который приобрели физики, работая над объединением теорий электрослабого взаимодействия, они могли применить к более грандиозной задаче. Из теории электрослабого взаимодействия вытекало, что вскоре после Большого взрыва температура Вселенной была так высока, что слабое ядерное и электромагнитное взаимодействия были неразличимы. Вместо этого существовало единое электрослабое взаимодействие, переносчиком которого были безмассовые бозоны.
Это так называемая электрослабая эпоха. Когда температура Вселенной снизилась, фоновое поле Хиггса «кристаллизовалось», и более высокая калибровочная симметрия электрослабого взаимодействия была нарушена (или, вернее сказать, скрыта). Безмассовые бозоны электромагнитного взаимодействия (фотоны) беспрепятственно продолжали движение, но бозоны слабого взаимодействия вступили во взаимодействие с полем Хиггса, приобрели массу и стали W– и Z-частицами. И вследствие этого слабое ядерное и электромагнитное взаимодействия сейчас совсем не похожи друг на друга ни силой, ни масштабом.
В 1974 году Вайнберг, американский теоретик Ховард Джорджи и австралийка Хелен Куинн показали, что силы всех трех взаимодействий становятся почти равными при энергии между сотней миллиардов и сотней триллионов ГэВ[122]. Эти энергии, соответствующие температуре примерно 10 октиллионов (1028) градусов, преобладали в течение примерно одной стодециллионной (10–35) доли секунды после Большого взрыва.
Разумно предположить, что в эту эпоху Великого объединения сильное ядерное и электрослабое взаимодействия были также неразличимы и представляли собой единое электроядерное взаимодействие. Все переносчики взаимодействия были идентичны, и не было ни массы, ни электрического заряда, ни аромата кварков (верхних, нижних), ни цвета (красного, зеленого, синего). Чтобы нарушить эту симметрию еще более высокого порядка, требовались хигг совские поля, кристаллизующиеся при более высоких температурах и таким образом приводящие к отделению кварков, электронов и нейтрино друг от друга, а также разделению взаимодействия на сильное и электрослабое.
Один из первых примеров такой теории великого объединения[123] (ТВО) разработали Глэшоу и Джорджи в 1974 году. В ее основе лежала группа симметрии SU(5), по их словам «калибровочная группа мира»[124]. Одним из следствий симметрии более высокого порядка было то, что все элементарные частицы были гранями друг друга. Теория Глэшоу и Джорджи позволяла преобразования между кварками и лептонами. То есть кварк внутри протона мог трансформироваться в лептон. «Тогда я понял, что это делает протон, базовый элемент атома, нестабильным, – сказал Джорджи. – У меня сразу испортилось настроение, и я пошел спать»[125].
Поскольку теории великого объединения оперируют с таким уровнем энергии, которого никогда не удастся достичь в коллайдерах, построенных на Земле, возникает желание усомниться в их ценности. Однако ТВО предсказывают существование новых частиц, которые в принципе могут быть открыты в экспериментах со столкновениями. И хотя эпоха Великого объединения закончилась миллиарды лет назад, ее последствия для современной Вселенной мы можем наблюдать и по сей день.
По крайней мере, так рассуждал молодой американский физик Алан Гут, недавно защитивший докторскую диссертацию. Он подтвердил, что среди предсказанных ТВО новых частиц есть магнитный монополь – гипотетическая элементарная частица, обладающая ненулевым магнитным «зарядом», равного отдельно взятому полюсу магнита, северному или южному. В мае 1979 года Гут вместе с таким же молодым доктором физики, американцем китайского происхождения Генри Таем начал работать над определением количества магнитных монополей, которые, скорее всего, возникли в результате Большого взрыва. Они стремились объяснить, почему, если магнитные монополи действительно образовались в начале существования Вселенной, сегодня мы их не наблюдаем.
Гут и Тай поняли, что можно подавить образование монополей, изменив характер фазового перехода от эпохи Великого объединения к электрослабой эпохе. Для этого нужно было вмешаться в свойства полей Хиггса. Гут и Тай открыли, что монополя исчезают, если вместо гладкого фазового перехода или «кристаллизации» при температуре перехода Вселенная, напротив, претерпевает сверхохлаждение. В таком случае температура падает так быстро, что Вселенная «застревает» в состоянии Великого объединения при температуре гораздо ниже температуры перехода[126].
Когда в декабре 1979 года Гут изучал широкие следствия начального момента сверхохлаждения, оказалось, что оно предсказывает период необычайного экспоненциального расширения пространства-времени. Сначала Гута не взволновал подобный результат, но он быстро понял, что это взрывное расширение может объяснить некоторые важные свойства наблюдаемой Вселенной, чего не могла сделать общепринятая космологическая теория Большого взрыва. «Я даже не помню, как придумывал название этому необычайному феномену экспоненциального расширения, – позднее писал Гут, – но, судя по моим дневниковым записям, в конце декабря я уже называл его инфляцией»[127].
Инфляционная модель кое в чем изменилась, в основном благодаря дальнейшему исследованию свойств полей Хиггса, которые нарушили симметрию в конце эпохи Великого объединения. Первые теории предсказывали слишком большую однородность, то есть довольно плоскую Вселенную без структуры – ни звезд, ни планет, ни галактик. Космологи начали понимать, что зачатки современной наблюдаемой структуры должны были заложить квантовые флуктуации ранней Вселенной, усиленные инфляцией. Но свойства полей Хиггса, которые требовались для этого, были несовместимы с полями Хиггса в теории Глэшоу – Джорджи.
Так или иначе, результаты экспериментов в начале 1980-х годов подтверждали, что протон более стабилен, чем подразумевала теория Джорджи и Глэшоу[128]. Космологов уже не сдерживали теории физики элементарных частиц, и они свободно занялись подгонкой наблюдаемой Вселенной при помощи дальнейшей настройки хиггсовских полей, которые в совокупности стали называться инфляционным полем, чтобы подчеркнуть его значение. Их предсказания эффектно подтвердились в апреле 1992 года благодаря спутнику Cosmic Background Explorer (COBE), зарегистрировавшему мельчайшие изменения температуры фонового космического излучения – холодные остатки горячего излучения, отделившегося от материи примерно через 400 тысяч лет после Большого взрыва[129].
Браут и Энглер, Хиггс, Гуральник, Хейген и Киббл изобрели поле Хиггса, чтобы объяснить нарушение симметрии в теории поля Янга – Миллса. Вайнберг и Салам показали, что этот же фокус можно применить к нарушению электрослабой симметрии, и с его помощью были верно предсказаны массы W– и Z-частиц. Тот же фокус позднее использовали, чтобы объяснить нарушения симметрии электроядерного взаимодействия. Он имел несколько удивительных последствий, которые привели к открытию инфляционной космологической модели и точному предсказанию крупномасштабной структуры Вселенной.
Полностью теоретические понятия хиггсовского поля и ложного вакуума стали ключевыми как в Стандартной модели физики элементарных частиц, так и в той модели, которая потом оформится как Стандартная космологическая модель Большого взрыва. Существуют ли эти хиггсовские поля на самом деле? Выяснить это можно было только одним способом.
Бозоны Хиггса великих объединяющих хиггсовских полей обладают огромной массой и просто недоступны для земных коллайдеров. Однако, хотя массу первоначального бозона Хиггса электрослабого поля Хиггса оказалось трудно предсказать с какой-либо точностью, в середине 1980-х считалось, что коллайдеры следующего поколения будут на это вполне способны.
Американские физики никак не могли оправиться от того, что их европейские соперники первыми открыли частицы W и Z. Июньская передовица New York Times гласила «Европа: 3, США: даже не Z0» и заявляла, что европейские физики ушли вперед в гонке за новыми фундаментальными элементами природы[130]. Физикам США нужен был реванш. Они твердо решили, что бозон Хиггса будет открыт в Америке.
3 июля 1983 года в Фермилабе заработал ускоритель Тэватрон. Его 6-километровое кольцо достигло расчетной энергии 512 ГэВ всего через 12 часов. Тэватрон обещал энергию столкновений протонов с антипротонами 1 ТэВ. Он обошелся в 120 миллионов долларов. ISABELLE, новый 400-гигаэлектровольтный протон-протонный коллайдер, строившийся в Брукхейвене, считался уже совсем устаревшим. В июле Консультативный комитет по физике высоких энергий Департамента энергетики США закрыл Брукхейвенский проект.
В ЦЕРНе должно было начаться строительство Большого электронно-позитронного коллайдера, который займет 27-километровое кольцо почти в 200 метрах ниже уровня земли под франко-швейцарской границей, которую кольцо пересекало в четырех местах. БЭП должен был стать самым крупным объектом гражданского строительства в Европе. Однако БЭП предназначался для обнаружения частиц W и Z, чтобы лучше разобраться в их природе, а также поиска до сих пор не найденного истинного кварка. Он не собирался охотиться за бозоном Хиггса.
Тэватрон, пожалуй, обладал возможностями, чтобы заметить бозон Хиггса, но никто не мог дать гарантий. Пришло время мыслить широко. Ледерман уже раньше предлагал совершить гигантский скачок вперед – построить супермассивный протон-протонный коллайдер с использованием сверхпроводящих магнитов, способный достигать энергии столкновения до 40 ТэВ. Он назвал его Дезертроном[131], потому что его предполагалось построить среди широкой пустынной равнины и потому что он единственный мог пересечь «энергетическую пустыню» – энергетическую пропасть, которая, как предсказывали теории Великого объединения, будет лишена интересной новой физики. Дезертрон превратился в Очень большой ускоритель (Very Big Accelerator, VBA). Закрыв проект ISABELLE, Консультативный комитет по физике высоких энергий настаивал на приоритетном строительстве VBA, который вскоре переименовали в Сверхпроводящий суперколлайдер (ССК).
Проектная разработка ССК была закончена к концу 1986 года. Затраты на строительство оценили в 4,4 миллиарда долларов, что сразу же перенесло его в разряд крупных научных проектов, которые требовали одобрения президентом. Ледермана попросили сделать короткую десятиминутную видеопрезентацию проекта, чтобы показать ее президенту Рональду Рейгану. Ледерман воспользовался шансом и воззвал к первопроходческому духу Рейгана, проведя прямую аналогию между исследованием белых пятен в физике элементарных частиц и освоением американского Запада.
Официально проект ССК был представлен Рейгану и его администрации в Белом доме в январе 1987 года. Последовал обмен доводами за и против вложения средств.
Руководитель Административно-бюджетного управления при президенте утверждал, что одобрение проекта ничего не даст, разве что порадует нескольких физиков. Рейган ответил, что, пожалуй, это как раз стоит принять в внимание, потому что он в свое время совсем не радовал школьных учителей физики.
Когда споры улеглись, все взгляды обратились к Рейгану, который и должен был принять окончательное решение. Рейган процитировал отрывок из Джека Лондона: «Лучше пусть я буду пеплом, чем пылью. Пусть лучше иссякнет моя искра в ослепительной вспышке, чем плесень задушит ее»[132]. Он объяснил, что эти слова когда-то сказали квотербеку Кену Стэблеру по прозвищу Змея. Стэблер привел «Окленд Рейдерз» к победе на Суперкубке по американскому футболу 1977 года. Он прославился благодаря точным пасам и особенно 38-метровому пасу Дейву Касперу (по прозвищу Привидение), который сравнял счет в последние секунды матча плей-офф с «Балтимор Кольтс». Из-за равного счета судьи назначили овертайм, и в конце концов «Рейдерс» вышли победителями.
Стэблер понимал цитату Джека Лондона с точки зрения собственного подхода к американскому футболу. «Делай глубокий пас», – сказал Стэблер[133]. В трудную минуту лучше рискнуть и сгореть яркой вспышкой.
Рейган, столп второсортных голливудских фильмов перед тем, как пришел в политику в 1964 году, получил прозвище Гиппер, после того как снялся в роли студентафутболиста Джорджа Гиппа (Гиппера) в фильме 1940 года «Кнут Рокне – стопроцентный американец». Гипп умер от инфекции горла в возрасте 25 лет, и в фильме звучат его знаменитые слова: «И последнее, что сказал мне Джордж: «Рок, – сказал он мне, – если вдруг ребятам придется туго и они будут проигрывать, скажи им, пусть выйдут и покажут все, что они могут, и хоть разок выиграют ради Гиппера»[134].
Можно не сомневаться, что концепция ССК вызвала в душе Рейгана глубокий отклик. Уже околдованный обещанием ученых дать Америке оборонительный рубеж в виде Стратегической оборонной инициативы (СОИ, прозванной «Звездными войнами»), он сгорал от желания выйти и показать все, что они могут, ради научного превосходства США. Гиппер был готов сделать глубокий пас.
Проект получил президентское одобрение, но все же вызывал много сомнений. В своем докладе представитель Департамента энергетики объяснял, что ССК станет международным предприятием при финансовой поддержке других стран. Но заявления американских физиков сорвали ему всю игру. С какой стати другие страны будут поддерживать проект, который явно задуман для того, чтобы вернуть американцам лидерство в физике высоких энергий? У Европы, во всяком случае, были твердые обязательства перед ЦЕРНом. Неудивительно, что ССК не привлек особого внимания за океаном.
Возмущение нарастало и в самом сообществе американских физиков и теперь вылилось в открытую конфронтацию. При таких огромных затратах чем придется пожертвовать ради поиска бозона Хиггса? Были много и других, по отдельности гораздо менее дорогостоящих проектов, которые с гораздо большей вероятностью могли привести к потенциально ценным технологическим прорывам. Бюджета американских физиков не хватило бы на финансирование всех этих проектов вместе с ССК, и они оказались под угрозой. Неужели физика высоких энергий действительно в тысячу раз более ценна, чем другие области науки?
Слова «большая наука» превратились в ругательство.
ССК пользовался поддержкой со стороны конгресса и сената, пока не было известно предполагаемое местонахождение нового коллайдера. Национальные академии наук и техники США получили 43 предложения от 25 разных штатов. Техасское правительство назначило специальную комиссию, и та пообещала выделить миллиард долларов, если ССК построят на территории Техаса. Возможно, имело смысл построить новый коллайдер на территории Фермилаба, где уже была готовая инфраструктура и множество физиков, которые потребуются для работы. Но в ноябре 1988 года Национальные академии решили, что ССК будет строиться в геологической формации мелового периода Остин-Чок, глубоко под техасской прерией в округе Эллис, где когда-то располагались хлопковые плантации.
Вице-президент Рейгана техасец Джордж Буш сменил его на президентском посту всего за два дня до того, как было объявлено место строительства. Никто не намекал, что академии приняли предвзятое решение, но Буш вступил в ряды убежденных сторонников проекта. Однако теперь, когда стало известно место, поддержка конгрессменов и сенаторов от других штатов стала быстро сходить на нет.
Физикам приходилось вырывать средства у конгресса в постоянной борьбе, и каждый раз, когда проект ставили на рассмотрение, их вызывали в конгресс. Между тем предварительная смета расходов росла как на дрожжах, по мере того как инженеры яснее осознавали все последствия строительства огромного кольца сверхпроводящих магнитов. К тому времени, как в 1990 году государство выделило средства для начала строительства, смета почти удвоилась до 8 миллиардов долларов.
В Остин-Чоке пробурили пробные шурфы, у Ваксахачи, на части площади в 7 тысяч гектаров, отведенной под проект правительством Техаса, построили кое-какую инфраструктуру. Возникли лаборатории для конструирования и испытания магнитов. Поднялись крупные постройки, где разместились охладители, чтобы охлаждать до жидкого состояния гелий, необходимый для поддержания нужной температуры сверхпроводящих магнитов.
Для работы на детекторах сформировались два коллектива. Коллаборация соленоидального детектора должна была включать тысячу физиков и инженеров из более чем ста различных научных институтов мира. Это был детектор общего назначения стоимостью 500 миллионов долларов. Как ожидалось, он должен был начать регистрировать данные еще до конца 1999 года. Предполагалась также группа работы с гамма-излучением, электронами и мюонами (группа ГЭМ) такой же величины, чтобы составлять конкуренцию коллаборации соленоидального детектора.
Многие физики решили рискнуть и либо взяли продолжительный отпуск на своей текущей работе, либо совсем уволились и переехали, чтобы работать на проекте ССК. В целом около двух тысяч человек собралось в районе Ваксахачи. Постороннему человеку, незнакомому с делами ССК, вся эта деятельность, наверное, казалась весьма воодушевляющей. Строились лаборатории, бурились шурфы, съезжались толпы людей.
Но были другие признаки, не такие радужные. Власти США бились с уже большим бюджетным дефицитом, который продолжал расти. В январе 1992 года президент Буш вернулся из поездки в Японию с пустыми руками: японцы настаивали, что ССК не является международным проектом и потому они не будут его поддерживать. Все громче звучали протесты против «большой науки». В июне палата представителей конгресса проголосовала за поправку к федеральному бюджету, которая закрывала проект ССК. Проект не закрылся только благодаря вмешательству сената.
О тучах уныния, которые начали сгущаться вокруг проекта, рассказал Вайнберг в своей популярной книге «Мечты об окончательной теории», опубликованной в 1993 году. Он писал:[135] «Несмотря на продолжающееся строительство и бурение, я знал, что финансирование проекта может прекратиться. Я мог представить себе, как засыплют пробные шурфы и опустеет здание магнитов, и только слабеющие воспоминания немногих фермеров останутся свидетелями того, что в округе Эллис планировали построить огромную научную лабораторию. Возможно, я находился под влиянием викторианского оптимизма [Томаса] Гексли, но мне не верилось, что это случится или что в наше время поиск окончательных законов природы будет прекращен».
В опубликованной в том же году книге Ледермана «Частица Бога», намного более мечтательной, он грубо пробуждается от грез, в которых любезно беседовал с греческим философом Демокритом[136]: «Черт». Сонно поднимая голову от бумаг, я понял, что снова дома. Мне бросилась в глаза фотокопия с газетным заголовком: «Конгресс ставит под вопрос финансирование суперколлайдера». Мой компьютер запикал, это пришло электронное «приглашение» в Вашингтон на сенатское слушание по вопросу ССК».
В ноябре 1992 года на президентских выборах в США победил Билл Клинтон, обойдя Джорджа Буша и независимого кандидата – техасского бизнесмена Росса Перо. К следующему июню смета ССК выросла до 11 миллиардов, и палата представителей снова проголосовала против. Как заметил Рафаэль Каспер, заместитель директора ССК: «Голосование против ССК стало в какой-то момент символом фискальной ответственности. Вот дорогостоящий проект, против которого можно голосовать»[137].
Клинтон в основном поддерживал проект, но не так преданно, как Буш и Рейган. К тому же у проекта появился соперник в виде программы строительства Международной космической станции стоимостью 25 миллиардов долларов, которая также должна была базироваться в Техасе, в Джонсоновском космическом центре НАСА в Хьюстоне.
В сентябре 1993 года Вайнберг, Рихтер и Ледерман сделали последнюю отчаянную попытку помочь ССК. Британский физик Стивен Хокинг прислал видеообращение в поддержку. Но все напрасно.
В октябре палата представителей США с перевесом в один голос проголосовала в пользу МКС. На следующий день она проголосовала против ССК два к одному. На этот раз не было никаких отсрочек. Финансирование выделялось для консервации уже построенных объектов. Уже было потрачено 2 миллиарда и вырыт 23-километровый туннель (см. рис. 19), но никакой викторианский оптимизм не мог спасти проект. ССК умер.
Писатель Герман Вук, лауреат Пулицеровской премии, написал роман «Яма в Техасе» на основе истории ССК. В авторском предисловии он говорит так[138]:
«После того как [физики] изобрели атомную и водородную бомбы, они были любимцами конгресса. Но все внезапно и грубо кончилось. Единственное, что осталось от так и не начавшегося поиска хиггсовского бозона, – это яма в Техасе, огромная заброшенная яма.
Она по-прежнему там».
Рис. 19
К моменту, когда конгресс США закрыл проект ССК в октябре 1993 года, уже было потрачено 2 миллиарда долларов и вырыт 23-километровый туннель под техасской прерией. Источник: Научно-технический электронный архив ССК
16 декабря 1994 года, через год с небольшим после закрытия ССК, страны – участники ЦЕРНа проголосовали за выделение 15 миллиардов долларов в течение 20 лет на перестройку БЭПа, когда истечет его срок действия, и переоборудование его в протон-протонный коллайдер. Идея Большого адронного коллайдера (БАК) впервые обсуждалась еще за 10 лет до того, на симпозиуме ЦЕРНа в швейцарской Лозанне в марте 1984 года. Он мог бы достичь энергии столкновения до 14 ТэВ, это меньше половины максимальной энергии ССК, но более чем достаточно, чтобы найти бозон Хиггса.
Руббиа заявил, что ЦЕРН «выложит туннель БЭПа сверхпроводящими магнитами»[139].
Данный текст является ознакомительным фрагментом.