Глава 7 Бозон Хиггса и “железная леди”

Чтобы попасть в основной комплекс ЦЕРНа из Международного аэропорта Женевы, нужно ехать на запад по улице Рут де Мейрин. На входе охранники попросят документ, исчезнут с ним на мгновение, а затем вернутся и пропустят вас, махнув рукой. За турникетом вы увидите скопление офисных зданий и паркингов, связанных между собой автомобильными дорогами и пешеходными тротуарами.

Кажется, что вы попали в университет, охваченный строительным бумом из-за дешевого бетона. Кампус занимает в общей сложности 30 га и расположен прямо на франко-швейцарской границе. Несмотря на огромную территорию, тут трудно заблудиться: на стенах зданий — гигантские номера, из-за чего весь комплекс похож на ожившую огромную карту.

Одно из самых популярных зданий ЦЕРНа — здание номер 501, похожее на отель среднего класса. Это главная столовая. Вы входите туда, берете поднос, наливаете кофе из кофемашины, минуете стойки, уставленные тарелками с салатами и фруктами, после чего вас ждет шеренга поваров — они выдают фрикасе из кролика, пасту, рис и пиццу.

По другую сторону касс расположены бесконечные ряды столов, которые заполняются в обеденное и вечернее время сотрудниками в джинсах и футболках. Если погода не слишком противная, кое-кто занимает столики на террасе, откуда открывается вид на аэропорт и Альпы. Говорят, в хороший день можно увидеть даже Монблан.

ЦЕРН — научный центр мирового класса, но, гуляя по его территории, видишь довольно скромную, аскетичную картину. ЦЕРН просто обязан быть таким: он получает взносы от 20 государств-членов, общей суммой 1 млрд долларов в год, но ни один доллар из этой немалой суммы не предназначен для украшения зданий и разведения садов. В ЦЕРНе деньги буквально “зарываются в землю”.

Мало кто знает больше Лина Эванса, что ЦЕРН делает с поступающими от стран-доноров деньгами. Когда Эванс входит в столовую, он выглядит довольно беззаботным человеком. Вот он — в шортах и рубашке поло, только что с местного поля для гольфа. Официально он в отпуске. У Эванса, которому остался год до пенсии, аккуратный короткий ежик седых волос, задубевшая загорелая кожа и фигура бывшего регбиста. Можно сказать, что работа под землей у него в генах. Он родился в валлийской деревне Абердер, где издавна добывали уголь, и его отец провел большую часть жизни в шахте, под землей.

За сорок лет работы в ЦЕРНе Эванс потрудился практически на всех коллайдерах, строившихся здесь в разные годы. Пятнадцать лет назад он возглавил команду, начавшую собирать из отдельных узлов главное детище ЦЕРНа — БАК, Большой адронный коллайдер (LHC). Всем было ясно, что именно Эванс должен стать лидером — ведь никто лучше его не знал, как строить ускоритель.

LHC — это современная история ЦЕРНа, но я приехал сюда, чтобы узнать о его прошлом. До того как Эванс был назначен руководителем проекта LHC, он был руководителем предшественника LHC в ЦЕРНе — Большого электрон-позитронного коллайдера (LEP), строившегося в 1983-1988 годах. Поскольку американский проект Сверхпроводящего суперколлайдера почил в бозе, LEP стал первым ускорителем частиц, начавшим серьезную охоту на бозон Хиггса¹³⁰. Хотя к тому времени “Теватрон” лаборатории Ферми находился в рабочем состоянии, там не удалось зарегистрировать достаточного количества столкновений частиц с высокими энергиями, так что у американских ученых пока не было шансов поймать бозон Хиггса. Потребовалась серьезная модернизация как самой машины, так и детекторов, чтобы “Теватрон” стал главным охотником за неуловимыми частицами. Но это случилось уже через 15 лет после запуска LEP.

Когда LEP был построен, эта машина оказалась крупнейшей научной установкой в мире и самой сложной из всех, с которыми когда-либо имел дело ЦЕРН. Строительство и эксплуатация коллайдера подняли столько проблем, что их хватило на учебные примеры для студентов технических вузов на десятилетия вперед. ЦЕРН славился тем, что его ученые умеют сталкивать протоны друг с другом. Но LEP был уходом от традиции — он предназначался для столкновений электронов и позитронов — эквивалентов электронов в антивеществе. Поскольку и электроны и позитроны — истинно элементарные частицы, их нельзя разбить на более мелкие части, столкновение их друг с другом лоб в лоб приводит только к выделению энергии, которая превращается в совершенно новые виды материи.

Офис Лина Эванса находится недалеко от столовой, в пяти минутах езды на машине. И вот мы входим в его кабинет. Проглядев какие-то бумаги, лежавшие у него на столе, Эванс садится и начинает свой рассказ. Полки за его спиной заставлены фрагментами ускорителя, а среди фотографий, которыми увешана одна из стен, есть снимок Эванса рядом с Питером Хиггсом. “LEP был уникальной машиной”, — с удовольствием вспоминает Эванс.

Планировалось, что коллайдер будет запущен в два этапа. На первом пучки частиц, прежде чем столкнуться, должны ускориться примерно до 50 ГэВ каждый. Задача этого этапа заключалась в том, чтобы получить огромное количество Z-частиц и изучить их до мельчайших подробностей. На втором этапе энергия пучков должна быть увеличена до 80 ГэВ каждый, что достаточно для рождения пар W-частиц, которые также планировалось детально изучить.

Если вы собираетесь строить ускоритель элементарных частиц, например такой, как LEP, вам необходимо учесть бесконечное число факторов. Прежде всего вы должны найти компромиссное решение при выборе размеров. Малые кольцевые коллайдеры неэффективны, потому что, когда вы ускоряете электроны на траекториях малого радиуса, они теряют много энергии в виде излучения¹³¹. Большие ускорители более эффективны в этом смысле, у них кривизна траектории электронов меньше, однако их строительство гораздо дороже.

В начале ЦЕРН планировал построить для LEP 50-километровое кольцо, но стоимость оказалась заоблачной. Остановились на 27-километровом кольце и четырех огромных детекторах для регистрации новых частиц, которые могли бы появиться на свет при каждом столкновении.

Определившись с размером машины, стали искать место для нее. Принять это решение оказалось не так просто. Большой размер LEP означал, что нужно купить довольно большой участок земли рядом с основной территорией ЦЕРНа, а денег на это не хватало. Дешевле было привлечь сверхмощные бурильные машины и прорыть туннель для коллайдера под землей. Подземный вариант имеет много преимуществ. Слой земли над ускорителем эффективно защищает от излучаемой им радиации, кроме того, он защищает и сам ускоритель от возможных вредителей-диверсантов. И кроме всего прочего, подземный вариант позволяет не испортить красивый сельский пейзаж — на фоне идиллического ландшафта не появится металлический монстр, окруженный забором из колючей проволоки.

Но есть и минусы. Постройка под землей машины такого размера, как LEP, требует тщательного планирования и ювелирной техники. И еще — когда что-то портится под землей, это что-то очень трудно ремонтировать.

И все-таки ЦЕРН выбрал подземный вариант, но это решение породило череду новых проблем. Если начертить на земле кольцо LEP, оно окажется слишком большим, чтобы втиснуться между аэропортом Женевы с одной стороны и горами Юра с другой. Под землей проблем оказалось не меньше. Аэропорт был построен на породе, состоящей из смеси камня и рыхлой почвы, так что бурение туннеля в ней было сущим кошмаром. А под горами Юра залегали пласты известняка, пронизанные разломами и трещинами с водой. Геологи-эксперты предупредили, что попытка пересечь хотя бы один из этих разломов может увеличить бюджет проекта на 16 млн долларов и задержать запуск ускорителя больше чем на год.

Прежде чем приступить к сооружению туннеля, инженеры ЦЕРНа пробурили множество разведочных скважин, чтобы нарисовать подробнейший геологический портрет региона. С его помощью они наконец поняли, что нужно делать. Они слегка сдвинули положение туннеля, затем наклонили, чтобы он плавно опускался вниз с глубины около 50 метров в предгорьях Юры до глубины более чем 100 метров под аэропортом. Таким образом, почти весь бетонный туннель четырехметрового диаметра был проложен в твердых породах.

Местные законы в районе, где расположен ЦЕРН, таковы, что нельзя просто прийти и установить колоссальный ускоритель элементарных частиц — или что-нибудь еще в этом роде — под чьим-то домом, не спрашивая разрешения у хозяев. Коллайдер LEP пересекал извилистую франко-швейцарскую границу четыре раза и проходил прямо под домами, расположенными по обе стороны границы. Если вы живете в Швейцарии, закон страны гласит, что вам принадлежит земля под вашим домом на глубину примерно 30-50 метров. Принимая такой закон, власти имели в виду, что он не позволит коммунальным предприятиям помешать владельцам дома построить подземный гараж или даже вырыть артезианскую скважину. Во Франции же соответствующий закон отличается от швейцарского, и кардинально. Если вам посчастливилось жить во Франции, вы владеете землей под вашим домом на всю глубину, до центра Земли. Туннель коллайдера проходил достаточно глубоко, чтобы можно было не беспокоиться на этот счет на швейцарской территории, но во Франции руководству ЦЕРНа пришлось получить письменное разрешение примерно от 2000 домовладельцев, прежде чем строители смогли начать копать. Некоторые из хозяев отказывались подписать соответствующие документы, и на достижение соглашения между ними и французским правительством ушло два года!

Отношения ЦЕРНа с окрестной сельскохозяйственной общиной напряглись после того, как некий физик, работавший в центре, предупредил, что LEP будет отравлять поля — загрязнять окружающую среду, как миллион автомобилей. Неудивительно, что и фермеры, и местные власти страшно возбудились. Ученый тот поднял серьезный вопрос, но исказил факты. Действительно, частицы носятся по кругу внутри ускорителя LEP, и при этом возникает интенсивное рентгеновское излучение, воздействие которого, если бы это происходило в воздухе, могло бы привести к образованию токсичных газов, таких как озон и окислы азота. На земле это создало бы действительно серьезные проблемы, но LEP ведь сидит под землей и заэкранирован свинцом, алюминием, а кроме того, окружен магнитами, которые направляют и фокусируют пучки. Когда инженеры ЦЕРНа учли все эти факторы, расчеты показали, что вредные выбросы из шахт вентиляции эквивалентны всего лишь загрязнению, вызванному несколькими лишними машинами на местных дорогах.

В 1983 году строительство наконец началось. LEP стал крупнейшим гражданским инженерным проектом в Европе. Сооружение 27-километрового кольцевого туннеля было только началом. В восемнадцати точках в туннеле были вырыты вертикальные скважины, чтобы люди могли через эти входы входить и выходить. В каменной породе по периметру туннеля выдолбили четыре огромные пещеры — в них смонтировали детекторы для коллайдера. К этим пещерам добавились еще шестьдесят небольших помещений и ниш. В результате только менее половины из 1,4 млн кубических метров каменной породы, вынутой из-под земли, пришлось на основной туннель, остальные — на пещеры для детекторов и камер.

ЦЕРН тщательно спланировал каждый этап строительства LEP. Но, несмотря на все меры предосторожности, аварии случались. В сентябре 1986 года бурильные машины наткнулись на геологический разлом, и туннель затопило водой. Потребовалось восемь месяцев, чтобы остановить поток, осушить туннель и продолжить бурение. Рядом с аэропортом при попытке просверлить три вертикальные шахты рабочие наткнулись еще на одно препятствие. Смесь земли и камней была пропитана водой по крайней мере до глубины 100 метров, что сформировало природный резервуар, используемый местным населением. Чтобы решить проблему, инженеры вынуждены были опустить трубы в землю там, где должна была проходить шахта, и закачать туда охлаждающую жидкость. Таким образом землю заморозили, превратив ее в твердую породу, которую можно было уже бурить обычным способом.

Строительство туннеля LEP было завершено в 1988 году, за неделю до Дня святого Валентина. Благодаря тому, что буровые машины были снабжены приборами спутникового и лазерного наведения, два конца туннеля встретились, разойдясь всего на 1 сантиметр. Одни только строительные работы заняли шесть лет!

Позже, в том же году, перед тем как LEP был запущен, британский премьер-министр Маргарет Тэтчер выступила с речью в Лондоне, на заседании Королевского общества — самой престижной научной организации Великобритании. Тэтчер эмоционально рассказала об Артуре Эддингтоне, чьи книги Питер Хиггс читал, еще будучи школьником. В свое время Эддингтон выбрал именно Королевское общество, чтобы рассказать о своей знаменитой экспедиции 1919 года. В ходе этой экспедиции при наблюдении во время затмения за светом звезд, огибающим Солнце, была доказана правота теории Эйнштейна. “Когда Артур Эддингтон представил свои результаты на заседании общества в 1919 году... этому событию были посвящены первые полосы газет, — сказала Тэтчер. — Многие не смогли попасть на заседание, однако народ был возбужден и жаждал узнать, действительно ли подтверждено это поразительное явление — искривление пространства. И сегодня мы спрашиваем себя: способны ли мы сейчас так же заинтересовать людей уже другим вопросом — существует ли бозон Хиггса, и вообще — зачем мы его ищем в ЦЕРНе?”¹³²

История, которую вспомнила Тэтчер, была настолько поразительной, что “New York Times” поместила статью о ней не под одним заголовком, а под тремя! Статья, пришедшая го ноября 1919 года по телеграфу из Лондона, называлась “Лучи, идущие к нам от звезд, оказывается, совсем кривые”. Затем следовало: “Ученые, сгорая от нетерпения, ждут результатов наблюдения затмения”. На случай, если кто-то мог испугаться, что небо обрушится на них, газета ниже уточняла: “Звезды находятся не там, где мы их видим или где они по расчетам должны находиться, но беспокоиться по этому поводу не нужно”.

Когда мы переходим к разговорам о работе LEP, Лин Эванс оживляется и даже подается вперед, сидя на диване в своем кабинете. Строительство LEP само по себе было невероятным подвигом. Чего стоил один только размер машины! Нелегкая задачка для инженеров. Но строительство было только началом дела. В некотором смысле LEP оказался даже слишком хорошим, почти неправдоподобно хорошим.

Первой задачей, которую ЦЕРН намеревался решить с помощью нового коллайдера частиц, было измерение масс Z-частиц с большей точностью, чем делалось раньше. Для этого ученым требовалось точно знать, какова энергия у частиц, носящихся в ускорителе. Зная это, они узнали бы и сколько энергии теряется в каждом столкновении при рождении Z-частиц. Отсюда они могли бы определить их массу.

В 1991 году было обнаружено некое необъяснимое явление. В измерениях наблюдалась странная закономерность — энергия пучков менялась с загадочной регулярностью. Эванс, руководивший пронктом, заподозрил, что виной тому — хитроумное оборудование, возможно, сбой в работе источников питания. Ученые ЦЕРНа несколько месяцев чесали затылки, рассматривая странные сигналы. Со временем слухи о них распространились и среди сотрудников других лабораторий. Однажды ученый по имени Герхард Фишер из Стэнфордского центра линейных ускорителей позвонил в ЦЕРН — у него возникло некое предположение, и он посоветовал сотрудникам европейской лаборатории проверить его.

Чтобы это сделать, Альберт Хофманн, опытнейший работник ЦЕРНа, провел долгий и утомительный эксперимент, который продолжался от полуночи до 4-х утра следующего дня. Этот эксперимент и его результат стали одной из легенд ЦЕРНа. В данных, полученных Хофманном, обнаружился след виновника, которого Фишер и заподозрил, — нашего ближайшего небесного соседа, Луны. Каждый школьник знает, что притяжение Солнца и Луны вызывает приливы в морях и океанах. Хотя масса Луны составляет лишь небольшую часть массы Солнца, она больше влияет на приливы, поскольку расположена гораздо ближе. Менее известно то, что Луна и Солнце создают приливы также и в твердой земной коре. Эксперименты Хофманна показали, что, когда Солнце и Луна находятся на одной прямой, на поверхности Земли возникают горбы и впадины. Например, земля в ЦЕРНе вспучивается и уходит вниз примерно на 25 сантиметров. Земля колебалась — в буквальном смысле слова — под ногами ученых¹³³. Когда Земля раздувалась (прилив), кольцо LEP растягивалось примерно на 1 миллиметр. Изменения размеров, незаметные для работающих на ускорителе ученых, меняли расстояние, которое частицы внутри коллайдера пролетали на каждом витке. Эффект был незначительным, но достаточным, чтобы значение энергии частиц изменялось. “Машина была само совершенство, — говорит Эванс. — То, что мы смогли получить столь высокую точность на такой огромной машине, просто поразительно”. В ЦЕРНе между собой шутили — и то была только наполовину шутка, — что ученым нужно купить календарь, чтобы во время проведения экспериментов сверяться с положением Солнца и Луны.

По мере того как продвигалась работа на LEP, становилось ясно, что Солнце и Луна — не единственные факторы, влияющие на работу машины. После того как команда Эванса внесла поправки на приливы в земной коре, обнаружились и еще более тонкие флуктуации энергии пучков. Новый эффект поставил всех в ступор. Каждый день с понедельника по пятницу энергия пучков в LEP изменялась, причем точно в одно и то же время. Она менялась и в выходные дни, но в другие моменты. Время возникновения этого странного эффекта воспроизводилось с такой точностью, что можно было проверять по нему часы.

В мире еще не было научных объединений, коллабораций, с таким большим числом участников из разных стран, как в ЦЕРНе. Двадцать стран принимают непосредственное участие в деятельности центра, кроме того, в работу вовлечены еще и многие другие государства. Эксперименты проводят ученые, приехавшие примерно из шестисот институтов и университетов, разбросанных по всему миру. Многие приезжают и уезжают через Центральный железнодорожный вокзал в Женеве Корнавен, и именно там сотрудники ЦЕРНа обнаружили источник упомянутого загадочного эффекта, мешающего нормальной работе машины.

Если бы вы регулярно пользовались поездами, уходящими и приходящими на этот железнодорожный вокзал, моменты возникновения колебаний энергии в пучках LEP, несомненно, вызвали бы у вас некоторые ассоциации. Скоростной поезд, или TGV, связывающий Женеву с Парижем, — существо на редкость пунктуальное. Оказалось, что возникновение флуктуаций в пучках ускорителя совпадало с точностью до минуты со временем отправления поезда от женевского вокзала. ЦЕРН создал небольшую группу, чтобы разобраться в том, как TGV влияет на коллайдер. LEP обложили датчиками и измерили потребление электрического тока поездами на вокзале Корнавен и других железнодорожных станциях. Затем сопоставили данные и поняли, что происходит. Поезду TGV, чтобы тронуться с места и отправиться в путь, необходима большая мощность, в этот момент возникает всплеск электрического тока. Часть тока через железнодорожные рельсы уходит в землю. Команда ЦЕРНа обнаружила, что эти блуждающие токи перетекают в кольцо LEP, увеличивая магнитное поле в нем, при этом энергия пучка повышается на величину до 12 МэВ.

Неожиданные эффекты, связанные с поездами TGV и фазами Луны, насторожили ученых ЦЕРНа. Они стали внимательнее отслеживать и другие подозрительные сигналы, способные нежелательно отразиться на экспериментах. За все годы работы, до того как LEP навсегда закончил свое существование, он зарегистрировал еще повышение уровня воды в Женевском озере и землетрясение в Турции, находящейся на расстоянии более 2000 километров от ЦЕРНа.

Сразу, как только LEP принялся сталкивать частицы, ученые стали выискивать следы бозона Хиггса. Известно, что он способен родиться различными способами, например, только что возникшая Z-частица может распасться на бозон Хиггса и группу других частиц. По крайней мере, по свежим следам его в этом событии легче всего выследить. Команды, работавшие на четырех детекторах LEP, знали, как должны выглядеть треки этих частиц, но физики знали и то, что, если только частицы Хиггса не окажутся неправдоподобно легкими, могут пройти годы, прежде чем появится сигнал, который наверняка будет свидетельствовать об их появлении. Через несколько месяцев после того, как коллайдер был запущен, Жан-Франсуа Грива, участвовавший в поисках бозона Хиггса, сделал получасовой доклад в аудитории ЦЕРНа. Он перечислил различные реакции, в которых может появиться бозон Хиггса, но ничего особенно интересного не сказал — в конце концов, машина только несколько недель как была запущена, и было слишком рано ожидать значимых результатов. Когда полчаса прошли, Грива поблагодарил аудиторию и предложил задавать вопросы. Одна рука медленно поднялась в воздух. Это был Джек Штейнбергер, физик из ЦЕРНа, который разделил Нобелевскую премию с Леоном Ледерманом за год до того. Прежде чем задать свой вопрос, Штейнбергер извинился. “Я проспал большую часть доклада, — сказал он. — Так все-таки, скажите, вы нашли бозон Хиггса или нет?”¹³⁴ Аудитория разразилась хохотом.

ЦЕРН потратил миллиарды швейцарских франков на строительство LEP в надежде узнать больше о W- и Z-частицах и, конечно, найти частицы Хиггса. Вначале ускоритель пережил некоторые проблемы роста, но не более, чем любой другой амбициозный проект. После завершения строительства и обкатки машина оказалась настолько чувствительной, что рассказала ученым об окружающем мире больше, чем они ожидали. В шутку говорили, что она. во всяком случае, могла измерить количество дождя, пролившегося над Женевским озером и повысившего уровень воды в нем. предсказать, когда следует ожидать следующего полнолуния, и определить, когда отправится последний поезд на Париж.

Дэвид Миллер, высокий худой человек, любит петь баритоном (у него неплохой голос) и рассказывать понятным языком про науку, а иногда делает и то и другое одновременно. Он вспоминает свою группу, одну из самых буйных групп студентов-математиков в Университетском колледже в Лондоне, где в 1960-х годах преподавал Питер Хиггс. “Он совершенно не учил меня математике, — говорит Миллер за кофе в столовой Университетского колледжа, где он является сейчас почетным профессором физики. — И если бы он не преподавал так плохо, мне бы не посчастливилось стать экспериментатором”.

После окончания университета Миллер провел какое-то время в Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке и в лаборатории Ферми под Чикаго, но позже вернулся в Европу и начал работать в ЦЕРНе. Когда Миллер туда приехал, коллайдер LEP был уже запущен и с его помощью получили несколько красивых результатов. Но чего на нем еще не нашли — по крайней мере, насколько об этом можно было судить, — так это бозона Хиггса.

Миллер пробыл в ЦЕРНе несколько недель, и в какой-то момент ему понадобилось уехать — на время. Он сел в автобус, который направлялся в женевский аэропорт. Автобус быстро заполнялся научными журналистами, приезжавшими в ЦЕРН узнать, чем ученые тут занимаются. Вскоре они разговорились. “Журналисты сказали, что приезжали встретиться с Джоном Эллисом — парнем, пытавшимся объяснить им, что такое бозон Хиггса, — вспоминал Миллер. — Они не поняли ни слова”.

Расстроенные журналисты попросили Миллера объяснить им на простом языке, что же это такое — хиггсовский бозон. Миллер задумался. Он совсем не был уверен, что ему удастся сделать то, что не получилось у Эллиса, но потом ему пришла в голову блестящая идея. “Представьте себе, что в комнате есть только вы — мужчины — и вы спорите о чем-то. И вдруг туда без предупреждения быстрой летящей походкой входит очень красивая женщина. — Он сделал паузу и подождал, пока у слушателей включится воображение. — Когда она идет по комнате, те из вас, кто поближе, забывают, о чем спорили, стараются подойти поближе, группируются вокруг нее, мешая ее движению и замедляя его. Это как если бы она из стройной изящной женщины превратилась в старую, неповоротливую толстуху”. У аналогии этой были недостатки, и многие из них ненаучного плана, но журналисты основную идею уловили. Комната, наполненная репортерами, — образ поля Хиггса. Хорошенькая женщина — образ частицы, которая приобретала, двигаясь в этом поле, массу, то есть замедлялась за счет взаимодействия с полем. А облепившие ее ухажеры — бозоны Хиггса. Журналистам эта система образов, видно, была вполне понятна.

Хотя LEP еще работал на полную мощность, в ЦЕРНе уже задумывались о проекте машины-преемника, Большого адронного коллайдера (LHC), который рассчитывали собрать в том же подземном туннеле. Прежде чем дать новому проекту зеленый свет, необходимо было убедиться, что его поддержат страны, финансировавшие ЦЕРН. В Великобританию, к несчастью, запрос о возможности поддержки проекта пришел не в самое лучшее для английского правительства время. Маргарет Тэтчер только что покинула свой пост, и сменил ее Джон Мейджор, собиравшийся провести масштабное сокращение бюджета науки. Дальнейшее участие Великобритании в ЦЕРНе оказалось под большим вопросом.

В апреле 1993 года Британский институт физики провел свою ежегодную конференцию в Брайтоне. Обсуждение, которого все ждали, начал Уильям Уолдегрейв, министр науки. Повторяя слова свонго бывшего босса Маргарет Тэтчер, прозвучавшие в Королевском обществе в 1989 году, Уолдегрейв сказал, что, если ученые хотят сохранить поддержку правительства, они должны научиться разъяснять обществу важность своей работы.

Содержание ЦЕРНа стоило Британии уйму денег, а министр не понимал, что представляет собой цель исследований, бозон Хиггса, и почему этот бозон имеет такое большое значение. По правде говоря, вряд ли вообще кто-либо из нефизиков понимал это. Уолдегрейв поставил перед физиками трудную задачу: описать простым языком на одной стороне листа бумаги формата А4 бозон Хиггса и объяснить, почему так важно его поймать. “Если вы поможете мне понять это, у меня появится больше шансов раздобыть для вас деньги на поиски этого бозона”, — сказал Уолдегрейв аудитории. А тот, кто лучше и понятнее опишет загадочную частицу, пообещал министр, получит бутылку марочного шампанского, оплаченную из его, министра, собственного кармана.

На той же неделе Джон Мэддокс, главный редактор престижного британского научного журнала “Nature”, посвятил целую страницу этому конкурсу. В среде британских ученых Мэддокс слыл легендой, его любили все. Среди прочего, он был известен тем, что, удобно устроившись с бутылкой вина и пачкой сигарет, часто писал свои редакторские статьи в ночь перед выходом журнала в печать. По идее в его статье, посвященной конкурсу Уолдегрейва, должны были содержаться рекомендации, поясняющие, как выиграть этот конкурс. Правда, в этот раз его советы вряд ли могли помочь участникам сего своеобразного состязания. Действительно, последние два предложения статьи Мэддокса — причем самые понятные из всех — звучали так: “Реальная интрига в охоте на частицу Хиггса состоит в том, что эта частица может быть совсем не такой, какой мы ее себе представляем. Но об этом как раз лучше умолчать”¹³⁵.

Дэвид Миллер услышал о конкурсе Уолдегрейва у себя дома в Лондоне. Он тут же вспомнил, как однажды уезжал из ЦЕРНа и группа журналистов попросила его объяснить, что такое частица Хиггса. Ему пришло в голову, что придуманное им объяснение очень недурно, а может быть, даже достаточно хорошо, чтобы выиграть бутылку марочного шампанского. Миллер поделился этой мыслью с женой и рассказал ей про аналогию с красоткой и льнущей к ней плотной группой мужчин. Миссис Миллер пришла в ярость. “Это сексизм!” — воскликнула она. Ужасно! Он ни в коем случае не должен посылать эту гадость министру науки! У Миллера, к счастью, имелись и другие идеи.

Пять месяцев спустя Уолдегрейв наконец объявил результаты конкурса. В то время в британском правительстве уже хорошо понимали, что вряд ли смогут позволить себе платить ежегодные взносы в ЦЕРН (55 млн долларов в год плюс дополнительные расходы на участие в экспериментах, запланированных на новом ускорителе). С горечью Уолдегрейв признал, что заявки (а их было 117!) позволили ему оценить важность поисков частицы Хиггса. Он сказал физикам: “Если мы не сможем найти деньги — а их будет действительно трудно найти, — я готов признать, что это будет большой потерей для нашей науки”.

А между тем в соревновании определились пять лидеров, однако никто не сомневался, кто станет победителем — конечно же доктор Дэвид Миллер из Университетского колледжа в Лондоне. Его эссе начиналось примерно так: “Представьте себе коктейль-пати для членов парламента. Спустя некоторое время они разбредаются и равномерно распределяются по пространству комнаты, причем каждый из них ведет беседу с ближайшими соседями. Внезапно в дверях появляется женщина. Политики присматриваются и понимают, что это не кто иной, как бывший премьер-министр, сама Маргарет Тэтчер”. Продолжение истории Миллер оставил без изменения. Уолдегрейву история о Маргарет Тэтчер, членах парламента и бозоне Хиггса очень понравилась. Приз достался Миллеру, а его история быстро разнеслась по всему миру и стала одним из самых популярных способов описания поля и частиц Хиггса. И конечно же заслуги миссис Миллер в победе мужа неоценимы! Без ее мудрого руководства все сложилось бы совсем иначе!

Миллер создал яркий и выразительный образ частиц, за которыми физики так отчаянно охотились уже довольно долго, однако из всех текстов, поданных на этот своеобразный конкурс, Уолдегрейв не мог узнать, как изменилось понимание физиками роли поля Хиггса за несколько последних лет. Исследования показали, что оно отвечает только за часть массы. Выяснилось также, что существует другое поле, которое ведет себя примерно так же, как поле Хиггса, и которое сыграло решающую роль в инфляции Вселенной — ее невероятно быстром расширении в первые моменты существования. Для того чтобы понять смысл этих революционных открытий, Уолдегрейву нужно было бы посетить двух физиков, офисы которых располагаются рядом, всего в нескольких метрах друг от друга, но по другую сторону Атлантики.

Фрэнк Вильчек — один из самых блестящих физиков в мире. Сегодня он работает в Массачусетском технологическом институте. Вероятно, о происхождении массы Вильчек знает больше, чем кто-либо другой. У него польско-итальянские корни, но сам он родился и вырос в Квинсе, в районе Нью-Йорка, в 1971-м поступил в Принстонский университет, а затем закончил там же аспирантуру. Работа, которую он начал в Принстоне в достаточно юном возрасте — ему тогда было всего 21 год, — спустя более тридцати лет принесла ему Нобелевскую премию. Вместе с двумя другими физиками он получил эту престижнейшую награду за открытие некоего любопытного эффекта, касающегося кварков, из которых состоят протоны и нейтроны. Вильчек показал, что чем дальше кварки отодвинуть друг от друга, тем сильнее они притягиваются друг к другу; и наоборот, когда они очень близко друг к другу, то ведут себя почти как свободные частицы — словно они связаны эластичными нитями. Как правило, силы не действуют таким образом — они обычно уменьшаются с расстоянием. Полученные Вильчеком результаты легли в основу Стандартной модели — свода правил, регулирующих поведение элементарных частиц в природе.

Работы Вильчека имеют далеко идущие последствия, особенно в понимании того, откуда берется масса. Хотя поле Хиггса, как полагают, отвечает за образование массы кварков и электронов, массы этих отдельных субатомных блоков дают лишь мизерный вклад в массу атома — почти вся она определяется не суммой весов входящих в атом кварков и электронов, а энергией, запасенной в перемещающихся кварках, и в поле, которое связывает их друг с другом.

На первый взгляд работа Вильчека заставляла засомневаться, а действительно ли бозон Хиггса заслуживает того, чтобы считать его ответственным за происхождение массы. Ответ — да, несомненно заслуживает, но есть маленькая тонкость, которую часто упускают в популярных описаниях. Поле Хиггса ответственно за приобретение кварками, электронами и другими частицами начальных масс. И если бы у них не было этих масс, пусть и незначительных, они никогда бы не образовали атомов. Но те большие массы кварков, которые, как мы знаем, у них есть, появляются только тогда, когда они собираются вместе, образуя протоны и нейтроны.

Вильчек помог опровергнуть бытовавший в СМИ популярный миф о том, что частицы Хиггса непосредственно ответственны за массы всего существующего в нашем мире, разъяснив, что они вносят лишь крошечный, но принципиально важный начальный вклад в массу.

Если идти от офиса Вильчека по коридору физического факультета Массачусетского технологического института, можно попасть в расположенный на небольшом расстоянии от него офис Алана Гута. Если Вильчек исследовал процессы, происходящие в глубине атома, то Гут занимался изучением прошлого Вселенной, историей возникновения Космоса. Он обнаружил, что в самом начале что-то очень похожее на поле Хиггса привело к намного более важным событиям, чем придание частицам массы.

Гут — коренастый человек с мальчишеской копной волос и сильным нью-джерсийским акцентом. Он говорит о рождении Вселенной с такой страстью, c какой другие говорят о футбольных матчах. Гут знает все теории: как они появились, насколько хорошо описывают различные ситуации, а также кто является автором каждой из них. Когда он рассказывает обо всем этом, трудно не поразиться, как физики могут знать что-либо о состоянии, в котором Космос пребывал четырнадцать миллиардов лет назад. Однако Гут так детально описывает, какой Вселенная была через одну триллионную от одной триллионной от одной триллионной доли секунды после Большого взрыва, как если бы был свидетелем тех революционных процессов, видел все своими собственными глазами. “Такого рода идеи, — правда, признает он улыбаясь, — обычно всем кажутся безумными, и я тут не исключение”.

История открытия Гута началась в Корнеллском университете. В 1978 году ученые работали над так называемыми Теориями Великого Объединения (GUTs), которые должны были стать следующим большим прорывом в физике. GUTs ставили своей целью объединить все известные силы в природе, за исключением гравитационных. Это означало поиск единой теории, описывающей электромагнетизм, слабое взаимодействие, а также сильное взаимодействие внутри атомных ядер.

Однажды Генри Тай, друг Гута, тоже работавший в Корнеллском университете, обратился к нему за помощью. Он хотел бы знать, предсказывают ли GUTs существование гипотетической частицы, существование которой Поль Дирак предложил в 1930 году. Частица была по меньшей мере странной — такой микроскопический магнит, но с одним полюсом. (У нормального магнита всегда два полюса — один северный, а другой — южный.) Из-за этого удивительного свойства таинственные частицы назвали магнитными монополями.

Расчеты Гута показали, что теории GUTs действительно предсказывают существование магнитных монополей, но при этом возникало новое неразрешимое противоречие. “Я сказал Генри, что он может забыть о монополях. Никто никогда не сумеет создать их в ускорителе элементарных частиц, так как они невероятно тяжелые. Для меня они были просто еще одной непроверяемой гипотезой GUTs”, — вспоминает Гут. Говоря “невероятно тяжелые”, он имел в виду, что масса гипотетического монополя примерно равна массе амебы.

Тай не удовлетворился ответом. Он вернулся к проблеме и предложил вместе посчитать, сколько этих странных магнитных частиц было создано в результате Большого взрыва. “Это была действительно сумасшедшая идея, и я перестал этим заниматься”, — говорит Гут. Он переключился на другие темы, а Тай все никак не успокаивался, надеясь, что друг все-таки поможет ему разобраться с монополями.

Гут почти забыл про идею Тая, но одна лекция в Корнеллском университете полностью перевернула его отношение к ней. Физический факультет университета регулярно приглашал ученых из других вузов читать лекции корнеллским студентам. И вот однажды к ним приехал Стивен Вайнберг. Вайнберг, которому оставался всего год до получения Нобелевской премии, стал одним из основных сторонников GUTs. Глубина и ясность его лекции убедила Гута в том, что эти теории, возможно, не совсем безумные.

Сразу после окончания лекции Вайнберга Гут поговорил с Таем и согласился наконец подсчитать, сколько магнитных монополей было создано в результате Большого взрыва. Результаты весьма озадачивали — похоже, Вселенная должна быть битком набита этими загадочными монополями! Но если это так, то она была бы в сотни триллионов раз более массивной, чем, по оценкам космологов, есть на самом деле. (Физики, зная массу Вселенной, могут определить ее возраст. Известно также, что расширение Вселенной замедляется тем быстрее, чем она массивнее.) Гут сделал математические расчеты, заложив в них полученное огромное число монополей и их массу, а затем рассчитал возраст Вселенной. Оказалось, что ей должно быть около 30 000 лет. “Ну, я получил сполна всяческих нелестных комментариев в свой адрес”, — рассказывал Гут.

Расчеты Гута показали, что согласно теории Великого объединения в первые мгновения после Большого взрыва несколько полей хиггсовского типа должны были заплестись в узлы. Эти узлы и были магнитными монополями. Гут понял, что на ранней стадии развития Вселенной должно было произойти нечто, помешавшее дальнейшему образованию такого количества монополей. К примеру, если Вселенная охладилась очень быстро, хиггсовские поля не должны были успеть переплестись, и в результате образовалось бы меньше узлов, а уже образовавшиеся до этого монополи разлетелись бы на огромные расстояния и вполне могли бы ускользнуть от нашего взгляда.

Настоящий прорыв в понимании проблемы возник в сознании Гута как следствие из этого умозаключения. Однажды вечером он вернулся с работы домой, и вдруг его осенило: он понял, что означали его расчеты расширяющейся Вселенной. “В какой-то момент я увидел, что происходит. Расширение Вселенной было экспоненциальным! Это было невероятно захватывающе”, — говорит Гут.

Явление, открытое Гутом, получило название “инфляция (раздувание) Вселенной”. Сразу после Большого взрыва за долю секунды Вселенная вдруг расширилась с головокружительной скоростью, а потом эта скорость расширения стала уменьшаться.

Теория инфляции Вселенной находится в стадии развития, ученые продолжают еще о ней спорить. Исходная теория Гута, с тех пор как он впервые описал ее в 1981 году, была не раз пересмотрена. Но в одном большинство физиков сегодня сходятся: энергию на инфляцию Вселенной обеспечило некое поле, поведение которого очень схоже с поведением поля Хиггса¹³⁶. Некоторые полагают, что оно и есть то самое поле, что было впервые описано Хиггсом в 1964 году. И полю этому соответствуют и свои частицы — его переносчики, метко названные инфлатонами.

Однако вернемся в ЦЕРН. Лин Эванс продолжает обсуждать проблемы, которые возникали во время работы гигантского коллайдера LEP. Каждую зиму машину выключали на несколько месяцев в соответствии с условиями договора с поставщиком энергии — машина не должна работать в то время, когда спрос на электроэнергию у потребителей из окружающих городов достигает своего ежегодного пика. Зимний простой использовался инженерами для проведения технического обслуживания ускорителя и необходимых ремонтных работ.

Утром 13 февраля 1995 года сотрудники, съехавшиеся в ЦЕРН после зимних каникул, стали свидетелями невероятного разгрома. В диспетчерской разобрана практически вся аппаратура, необходимая для управления малым ускорителем, используемым для впрыскивания частиц в LEP. Кабели, соединявшие ускоритель с электронными модулями, оборваны, около 1200 электронных модулей исчезло. Всего за несколько дней до начала нового цикла экспериментов какой-то вредитель разобрал всю управляющую аппаратуру!

Преступника вскоре разыскали. Это был Николя Блазиану, оператор диспетчерской, проработавший в ЦЕРНе двадцать семь лет и пользовавшийся хорошей репутацией. Он провел все выходные, демонтируя и пряча компоненты оборудования, а затем исчез. Позже он позвонил руководству ЦЕРНа и заявил, что расскажет, где модули, если ему заплатят 2 млн швейцарских франков.

Блазиану в конечном итоге сдался полиции города Бург-ан-Брес на юге Франции и показал, где находятся модули, тщательно спрятанные в разных уголках ЦЕРНа — на чердаке, под полом, за стенами. Персонал считал, что Блазиану свихнулся после размолвки с бывшей женой, тоже работавшей в ЦЕРНе в качестве помощника администратора¹³⁷.

Преступление маньяка нанесло серьезный удар по ЦЕРНу: электроника, используемая для управления выведенным из строя ускорителем, была разработана более двадцати лет назад, и документация, описывающая, как должны собираться различные ее узлы, была неполной. Даже если компоненты благополучно выдержали бы испытания, после сборки нужно было тестировать машину как целое.

Блазиану было предъявлено обвинение в краже и попытке вымогательства, а ЦЕРН пересмотрел действующие меры безопасности. Руководство смогло уговорить инженеров поработать в режиме аврала, чтобы побыстрее восстановить поврежденное оборудование диспетчерской. К счастью, машину удалось запустить без значительных задержек.

Следующей зимой в ЦЕРНе случился еще один случай вредительства¹³⁸. Машину в ту зиму выключали на больший срок, чем обычно, чтобы инженеры, работающие по контракту, успели модернизировать коллайдер — ученые хотели иметь возможность ускорять частицы до более высоких энергий. Когда в июне 1996 года дело дошло до очередного включения LEP, ни один из двух пучков частиц не смог разогнаться должным образом. Сперва это отнесли на счет начальных трудностей, но через пять дней проверки инженеры обнаружили какую-то блокировку на десятиметровом участке двадцатисемикилометрового кольца.

Когда кольцо коллайдера открыли и инженеры ЦЕРНа заглянули вниз в трубу, по которой двигались пучки частиц, они увидели, что там лежат какие-то предметы, похожие на зеленые стеклянные линзы. Инженеры взяли жердь, поддели их и в конце концов вытащили — две пивные бутылки “Хайнекен”! С этикетками, прожженными пучками бомбардировавших их частиц.

Хотя в ЦЕРНе шутили по поводу рекламного слогана “Хайнекен” — “пиво, которое приходит туда, куда другое добраться не может”, но на самом деле это был серьезный акт вандализма. Пришлось вызывать полицию, чтобы снять отпечатки пальцев с бутылок и найти вредителей.

“Злонамеренные вредительства, их всегда следует остерегаться, — говорит Эванс. — Люди иногда делают ужасные, бессмысленные, идиотские вещи, особенно когда ускоритель отключен. Все время нужно быть начеку — кретины и негодяи могут в любой момент сделать гадость”.

Главная цель коллайдера LEP состояла в том, чтобы создавать как можно больше W- и Z-частиц, и она была достигнута. Они вылетали миллионами, так что ученые смогли их тщательно изучить. Кроме того, физики, ученые, работающие на четырех больших детекторах ускорителя, скрупулезно изучали результаты экспериментов, пытаясь найти явные признаки появления бозона Хиггса, и надеялись, что в архиве записей столкновений за десять лет им все-таки удастся увидеть следы осколков, которые, без всяких сомнений, будут свидетельствами рождения долгожданной частицы.

ЦЕРН получил финансирование для LEP до 2000 года, после этого его должны были закрыть, извлечь из земли и заменить гораздо более мощным коллайдером LHC. Когда срок окончания работы ускорителя стал приближаться, техники принялись все больше и больше поднимать энергию пучков, и к весне 2000 года частицы разгонялись в кольце коллайдера уже до энергий гораздо более высоких, чем предусматривалось конструкцией машины. Тем не менее ни в одном столкновении, похоже, неуловимый бозон Хиггса так и не появился.

Отключение LEP означало, что охота ЦЕРНа за бозоном Хиггса прервется по крайней мере на пять лет, пока не будет сооружен коллайдер LHC. На это время группа “Теватрона” в лаборатории Ферми под руководством американских ученых становилась единственной командой, имевшей реальные шансы найти частицу. “Теватрон” временно отключили, чтобы обновить детекторы и улучшить технические параметры машины. Американский коллайдер, как это было и с закрываемым навсегда LEP, ставил своей первостепенной задачей охоту на бозон Хиггса. В ЦЕРНе тем временем ученые давили на руководство, чтобы оно разрешило работать на коллайдере LEP в режиме, далеко выходящем за рамки возможностей его конструкции, надеясь, что бозон Хиггса окажется в зоне досягаемости при работе ускорителя на максимальных энергиях.

За несколько месяцев до запланированного в ЦЕРНе выключения LEP навсегда в одном из детекторов произошел сбой, какого раньше никогда не было. Вскоре и второй детектор задергался. Ученые, работавшие на машине, почувствовали, как их сердца замерли. Эванс помнит, что произошло дальше, так четко, как будто это было вчера. “Мы загнали LEP до предела, поскольку уже готовились отключить его. И тогда все сломалось к чертовой матери”.