В поисках частицы Бога, или Охота на бозон Хиггса

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.