В поисках частицы Бога, или Охота на бозон Хиггса

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.