У пошуках бозона Гіґґса

Навіть зараз, коли протони завершили останні кола в найуспішнішому в історії фізики елементарних частинок прискорювачі, вчені сподіваються, що диво станеться й перемогу буде здобуто. Під поверхнею незайманої зеленої прерії Іллінойсу, де пасуться бізони, чотиримильним тунелем мчать у протилежних напрямках протони й антипротони. І щосекунди сотні тисяч цих частинок стикаються, породжуючи вибухове випускання безлічі різних частинок. Це відбувається на Теватроні, підземному прискорювачі елементарних частинок у Лабораторії прискорювачів ім. Енріко Фермі (Фермілабі), що розташована на ділянці площею 2751,9 га поблизу містечка Батавія, за 80 км на захід від Чикаго. Експерименти тривали не один день, і багато з них дали видатні результати; із 17 фундаментальних частинок, які, на думку фізиків, утворюють усю звичайну матерію та енергію у Всесвіті, три було відкрито тут. Але ці дні минули: 1 жовтня назавжди вимкнули електроживлення всіх (понад тисячі) надпровідних магнітів, охолоджуваних рідким гелієм, і завершилася 28-річна робота прискорювача, який донедавна був найпотужнішим у світі.

НІЧ. Прискорювач частинок Теватрон, побудований неподалік Чикаго, протягом 27 років був найбільшим вікном у субатомний всесвіт

Для кількох сотень фізиків, які провели тут майже 20 років у пошуках гіпотетичної частинки, відомої під назвою бозон Гіґґса, це означає лише одне — пальму першості в боротьбі за Нобелівську славу віддано головному суперникові — Великому адронному колайдеру (ВАК), новому, потужнішому прискорювачу в CERN на швейцарсько-французькому кордоні. Довжина кола його головного прискорювального кільця — близько 27 км — забезпечує значно більшу енергію частинок. ВАК замінить Теватрон як головний дослідницький інструмент фізики елементарних частинок і збереже цю позицію ще й у наступному десятилітті.

Рішення Міністерства енергетики США про закриття Теватрона наприкінці поточного бюджетного року нікого у Фермілабі не здивувало. Деякі фізики рекомендували міністерству продовжити фінансування прискорювача, що старіє, ще на три роки, щоб здійснити останню відчайдушну спробу виявити цю невловиму частинку — бозон Гіґґса, яка, на переконання фізиків, визначає маси всіх інших частинок. Однак навіть найвідданіші старій машині ветерани розуміють, що вона вже стала зайвою. «Я не засмучуюся, — говорить Дмитро Денисов. — Це схоже на розставання зі своїм старим автомобілем. Уся історія науки — це історія нових інструментів. Цей прослужив понад 25 років. Настав час рухатися далі». Таке зізнання нелегко дається Денисову, учасникові команди DO (Д-нуль), одного з двох детекторів, що працюють на Теватроні. Два роки тому на пресконференції під час щорічного засідання Американської асоціації сприяння розвитку науки Денисов сказав: «Нам пощастило, що ми побачимо сліди бозона Гіґґса раніше, ніж це зробить ВАК». Тоді неполадки в електроживленні зупинили ВАК на кілька місяців, і надії Денисова поділяли багато співробітників Фермілаба. Але цього не сталося. Коли в листопаді 2009 р. ВАК знову запрацював, на ньому втричі перевищили енергію, яку міг забезпечити Теватрон.

Протягом останніх трьох десятиліть єдиним конкурентом DO був детектор CDF (Collider Detector at Fermilab). На кожному з них працювали сотні фізиків із десятків країн. Минулої весни фізики з CDF заявили, що виявили сліди події, яка могла бути пов'язана з новою частинкою. Чи міг Теватрон у свої останні дні справді виявити перші ознаки бозона Гіґґса? Денисов та його колеги на DO негайно почали ретельно перевіряти результати CDF. Коли ця стаття пішла до друку, результат був ще неясний. Однак зрозуміло одне: суперництво двох груп, що працювали на Теватроні, ще не закінчилося.

«Мені хочеться перемогти Дмитра, а йому — мене, — говорить Роб Роузер (Rob Roser), керівник команди CDF. — Ми добрі друзі, ми обговорюємо всі проблеми. Але кожен із нас прагне випередити іншого. Тепер гра змінилася. Сьогодні поганий хлопець — це ВАК, а не Дмитро. Я не хочу, щоб ВАК випередив когось із нас. Це все одно що сказати: ніхто не може вдарити мого молодшого брата, це можу лише я».

Із припиненням (відносним) давнього суперництва й початком нових проєктів Фермілаб переживає період невизначеності. Те саме можна сказати й про всю фізику елементарних частинок. Фізики довго чекали на створення нової машини, яка дала б їм змогу проникнути в нову фізичну реальність. В очікуванні того, що за рік-два ВАК подвоїть енергію зіткнень, не бракує припущень про нові відкриття: простори інших вимірів, суперсиметрія (припущення про те, що кожна з відомих частинок має так званого суперсиметричного близнюка) і, звісно, бозон Гіґґса. А найкраще, щоб це було щось цілком несподіване. Проте є й інша можливість, яку зазвичай воліють не розглядати, але якою не можна нехтувати. І ця можливість водночас непокоїть та інтригує фізиків: що, як ані ВАК, ані експерименти, заплановані в поточному десятилітті у Фермілабі «без Теватрона», не виявлять узагалі нічого нового?

Попереду невідомість

Ще зовсім недавно Теватрон будив у фізиків ті самі надії, які тепер вони пов'язують із ВАК. За 15 років до його запуску фізики у Фермілабі думали, що Теватрон допоможе їм упіймати бозон Гіґґса, довести існування суперсиметрії, зрозуміти природу темної матерії та багато іншого.

Крім Нобелівської премії, відкриття цієї частинки дало б змогу увінчати блискучу еру розвитку фізики. Бозон Гіґґса — це відсутній елемент Стандартної моделі, величної будівлі сучасної теоретичної фізики, що описує Всесвіт у термінах взаємодій 17 фундаментальних частинок. Вона об'єднує три з чотирьох сил природи: сильну взаємодію, що зв'язує в одне ціле ядра атомів, слабку взаємодію, відповідальну за розпад частинок, і знайомішу нам електромагнітну (гравітація — єдина сила, яку не описує Стандартна модель). Теоретики наклали останні мазки на портрет Стандартної моделі майже 40 років тому, і відтоді всі її передбачення було підтверджено експериментально.

У 1995 р. команди CDF і DO отримали одне з найвизначніших підтверджень моделі, відкривши топ-кварк — масивну елементарну частинку, існування якої передбачили ще в 1973 р. У тих перегонах Теватрон випередив європейський Протонний суперсинхротрон, який тепер слугує інжектором частинок для ВАК. Це був найбільший тріумф Теватрона, який показав, що Стандартна модель справді надзвичайно точно описує Всесвіт, принаймні за енергій, яких фізики змогли досягти на своїх найкращих прискорювачах.

У 2001 р., після п'яти років роботи з удосконалення Теватрона — найкращого у світі прискорювача, фізики сподівалися, що він не лише допоможе відкрити бозон Гіґґса, останнє непідтверджене передбачення Стандартної моделі, а й дасть змогу привідкрити завісу над явищами за її межами. Попри всю передбачувальну силу Стандартної моделі, фізики розуміли, що вона не може слугувати для повного опису природи. Крім того, що вона не охоплює гравітації, їй притаманні два явні недоліки. Стандартна модель не може пояснити існування темної матерії, яка впливає на рух галактик і при цьому жодним іншим чином не взаємодіє зі звичайною матерією. У ній не враховано й існування темної енергії, цілком загадкового явища, що проявляється у прискоренні розширення нашого Всесвіту. Проте, попри вдосконалення, Теватрону не вдалося проникнути за межі теорії, яку він зміг так наочно підтвердити. «Десять років тому ми сподівалися розколоти цей горіх, але так і не змогли, — говорить Боб Чиргарт (Bob Tschirhart), фізик-теоретик із Фермілаба. — Там існує щось, чого ми ще не відкрили. Стандартна модель виявилася дуже успішною в передбаченні багатьох явищ, однак її недоліки очевидні. Вона подібна до вузького спеціаліста». У певному сенсі Теватрон залишає у спадок розуміння того, що Стандартна модель справді працює дуже добре, однак доведення цього ніколи не розглядалося як кінцева мета. «Передбачалося, що ми обов'язково знайдемо бозон Гіґґса, — говорить Стівен Мренна (Stephen Mrenna), фізик, який займається комп'ютерними розрахунками й прийшов до Фермілаба в середині 1990-х рр. — А якщо суперсиметрія справді існує, ми мали відкрити й її».

Тепер фізики сподіваються, що те, чого не вдалося зробити Теватрону, зробить ВАК, що він приведе їх на нову територію і вчені зможуть створити теорію на заміну Стандартній моделі. Мренна, як і більшість його колег, упевнений, що ВАК рано чи пізно знайде бозон Гіґґса. «Я думаю, що це станеться цього або наступного року. Я міг би закластися, — говорить він. — Якщо ж ми його не виявимо, моя впевненість у тому, що ми там не знайдемо нічого, зросте».

У цьому й полягає проблема майбутніх досліджень: можливо, там нічого немає. Деякі фізики вважають, що існує «енергетична пустеля» між областями, доступними їхнім дослідженням, і тими, де може виникнути справді нова фізика. Якщо це так, то нових відкриттів доведеться чекати ще десятки років. ВАК, звісно, найпотужніший прискорювач сьогодення, але він не настільки потужний, щоб дати фізикам упевненість у тому, що допоможе їм проникнути на новий рівень реальності.

Реальним інструментом для цієї роботи міг би стати Надпровідний суперколайдер (Superconducting Super Collider, SSC). Поруч із його 97-кілометровим головним прискорювальним кільцем ВАК здавався б карликом. SSC зміг би генерувати пучки частинок з енергією втричі більшою, ніж ВАК. Проте через величезні витрати, передбачені проєктом, Конгрес відхилив його в 1993 р., хоча будівництво вже почалося неподалік маленького містечка Воксахачі, штат Техас. «Від самого початку проєкт SSC створювали з метою проникнення в область енергій, де, як ми очікували, обов'язково мало знайтися щось нове, — говорить Мренна. — Це був би необхідний інструмент. ВАК — лише його бідний родич. Але поки що й він досить добрий». Якщо, звісно, це відповідає дійсності. За словами Мренни, якщо ВАК не допоможе знайти таємничий бозон або зробити якесь інше значне відкриття, фізикам буде важко обґрунтувати витрати на досконаліший прискорювач. «Ви можете запитати, чим відкриття бозона Гіґґса допоможе економіці США, боротьбі з тероризмом чи чомусь іще, — зауважує він, — і, як завжди, ми говоримо, що знання корисне всім. Люди хочуть знати, як влаштований і живе Всесвіт. Ми навчаємо багатьох. Завжди корисно зібрати разом розумних людей і поставити перед ними складне завдання — із цього зазвичай виходить щось варте уваги. Але в певний момент у фізиці такі речі стає важче робити».

Інакше кажучи, якщо енергетична пустеля існує, то, можливо, ми не зможемо зібрати волю, щоб її перетнути. «Тому зараз нам потрібен успіх. Ми маємо знайти щось нове», — говорить Мренна.

Життя триває

Перший у світі прискорювач частинок створив у 1929 р. Ернест Лоуренс (Ernest Lawrence) у Каліфорнійському університеті в Берклі. Він називав цей прилад протонною каруселлю. Її діаметр становив п'ять дюймів, виготовлена вона була з латуні, сургучу та скла й коштувала приблизно 25 доларів. ВАК, запущений майже на 80 років пізніше, коштував 10 млрд доларів. Для його спорудження знадобилася міжнародна співпраця вчених та інженерів, і зараз він займає територію завбільшки з невелике місто. Але навіть якщо на ВАК досягнуть великих успіхів, шанси на те, що в осяжному майбутньому можна буде здійснити подібний стрибок в енергії частинок, невеликі. «Ми знаємо, як збільшити енергію в десять разів, але це коштуватиме вдесятеро дорожче, — говорить директор Фермілаба П'єр Оддон (Pier Oddone). — Ми досягли межі витрат, які країни готові собі дозволити».

Протягом наступного десятиліття, а можливо, і довше, головна фізична лабораторія Сполучених Штатів житиме в тіні ВАК. За словами Оддона, у Фермілабі триватиме робота над проєктами, які відклали б або закрили, якби Теватрон продовжував працювати, однак зрозуміло, що центр тяжіння у світі фізики елементарних частинок змістився.

У Фермілабі зараз проводять експерименти з фізики нейтрино — мабуть, найзагадковішої з фундаментальних частинок: їх спрямовують із джерела у Фермілабі крізь 724-кілометрову товщу земної кори до детектора, встановленого в шахті в Міннесоті. Учені з Фермілаба також візьмуть участь в астрономічній дослідницькій програмі «Огляд темної енергії» (Dark Energy Survey).

Але головна мета інституту — повернення до ідеї створення найпотужнішого у світі прискорювача частинок. Оддон сподівається, що до 2020 р. Фермілаб завершить спорудження прискорювача Project X. Найближчою метою цієї машини завдовжки півтора кілометра буде генерування нейтрино та інших частинок для експериментів у Фермілабі. У майбутньому порівняно невеликий прискорювач слугуватиме випробувальним стендом для відпрацювання технологій спорудження гідного наступника ВАК.

Керівник проєкту Стів Голмс (Steve Holmes) говорить: «Project X — міст, який знову веде нас до передових рубежів фізики високих енергій. Це дасть змогу здобути провідні позиції й зберегти їх. Коли люди за обідом запитують мене, яке майбутнє нас тут чекає, я кажу їм, що у фізиці високих енергій США були світовим лідером протягом 70 років. Це найфундаментальніша галузь фізики, і як велика країна ми маємо зберігати таке становище. Але я не можу відповісти, коли ми цього досягнемо».

Про це не говорять ті, хто працював на самому Теватроні. Денисов, Роузер та їхні колеги з двох детекторів накопичили досить даних, щоб забезпечити себе роботою щонайменше на два роки після зупинки машини. Величезний запас даних може допомогти розшифрувати перші відкриття, зроблені на ВАК. Можливо навіть, що якийсь новий результат лежить, прихований у пам'яті комп'ютерів у Фермілабі, і чекає, коли його розшифрують. Минулої весни був час, коли здавалося, що Теватрон дав нам перший натяк на фізику за межами Стандартної моделі. У квітні команда Роузера на детекторі CDF оголосила, що в її даних виявлено свідчення, хоча й дуже слабке, існування нової частинки або сили. У невеликій, але статистично значущій кількості випадків фізики виявили пік, який свідчить про надлишок частинок понад передбачення Стандартної моделі. Ці частинки проявилися як продукти розпаду певної масивнішої частинки, можливо, якоїсь несподіваної форми бозона Гіґґса. До кінця травня команда CDF знову проаналізувала свої дані. «Пік усе ще там», — заявив після цього Роузер. Але менш ніж за два тижні давній колега й суперник Роузера Денисов сказав, що команда DO завершила незалежний аналіз даних CDF. «Ми не побачили нічого», — заявив він на пресконференції. Поки що неясно, чи збережеться цей пік під час подальшого ретельного аналізу. Обидві групи зараз порівнюють свої результати, щоб знайти помилку в аналізі CDF, якщо там справді є помилка. А поки що, схоже, очікуваний протягом 30 років вхід у нову еру фізики відкладено. Буде прикро, якщо пік зникне. Відкриття бозона Гіґґса стало б гідним завершенням роботи Теватрона. Протягом наступного року або за трохи довший час ми дізнаємося, чи зможе ВАК працювати краще.

Переклад російською: А.А. Сорокін

ДОДАТКОВА ЛІТЕРАТУРА

1.  Кейн Г. Заря новой эры // В мире науки. 2003. № 9.
2.  Квигг К. Грядущая революция в физике частиц // ВМН. 2008. №5.
3.  Коллинз Г. Фабрика открытий // ВМН, 2008, № 5.
4.  Fermilab: Physics, the Frontier, and Megascience. Lillian Hoddeson, Adrienne W. Kolb and Catherine Westfall. University of Chicago Press. 2008.
5.  Massive: The Missing Particle That Sparked the Greatest Hunt in Science. Ian Sample. Basic Books, 2010.

ПРО АВТОРА

Тім Фолджер (Tim Folger) був відзначений як найкращий редактор і автор, що пише на наукові теми; його роботи опубліковано в The Best American Science and Nature Writing, щорічній антології видавничої компанії Houghton Mifflin.

Лише зареєстровані користувачі можуть залишати коментарі. Увійдіть або зареєструйтеся.