Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира Кэрролл Шон

Мы узнаем об истории странного увлечения – сталкивать частицы друг с другом при все более высоких энергиях.

Когда мне было десять лет, в нашей местной библиотеке в Нижнем Баксе, штат Пенсильвания, я наткнулся на научный отдел, и чтение собранных там книг стало моим любимым занятием. Особенно мне нравились книги по астрономии и физике. Одной из книг, которую я штудировал с особой тщательностью, был скромный том под названием «Физика высоких энергий», написанный Хэлом Хеллманом. Я начал изучать эту книгу в конце 1970-х, а написана она была в 1968-м, то есть до того, как была сформулирована Стандартная модель, когда «кварки» еще были экзотическими и страшноватыми теоретическими моделями. Но адроны – частицы, которые, как мы теперь знаем, состоят из кварков и глюонов, – уже были обнаружены: в журнале High Energy Physics было полно четких фотографий треков этих частиц, и в каждой угадывался мимолетный проблеск тайны природы.

Многие из этих фотографий были сделаны на громадном Беватроне – одном из главных ускорителей частиц, работавшем в 1950-1960-е годы. Беватрон был построен в Беркли, в штате Калифорния, но его название произошло не от Беркли, а от слов Billion Electron Volt (биллион, или по-русски миллиард, электронвольт), то есть максимальной энергии, которой удалось добиться на этом ускорителе. (Позже мы расскажем, что электронвольт (эВ) является непонятной, но очень популярной в физике элементарных частиц единицей энергии. Одному миллиарду электронвольт соответствует приставка гига-, то есть один миллиард электронвольт – один ГэВ, а не БэВ, но в то время американцы чаще использовали это обозначение, и к тому же название «Геватрон» казалось им не очень благозвучным. Остановились на названии «Беватрон».)

Беватрон поучаствовал в двух нобелевских открытиях: в 1959 году премию получили Эмилио Сегре и Оуэн Чемберлен за обнаружение антипротона, а в 1968 году – Луис Альварес за открытие огромного числа новых частиц, которые и сосчитать-то трудно – всех этих ужасных адронов. Некоторое время спустя тот же Альварес и его сын Уолтер, обнаружив аномально высокие концентрации иридия в геологических пластах, образовавшихся в период исчезновения динозавров, первыми доказали, что наиболее вероятная причина этого феномена – столкновение Земли с астероидом.

Идея ускорителей частиц проста: нужно взять некоторое количество частиц, ускорить их до очень высоких скоростей, столкнуть с некоторыми другими частицами и внимательно наблюдать, что получится. Все это похоже на то, как если бы вы шарахнули роскошными швейцарскими часами по другим, не менее роскошным швейцарским часам и, исследуя разлетевшиеся в разные стороны осколки, попытались бы понять, из чего часы были сделаны. К сожалению, аналогия не полная. Когда мы сталкиваем частицы, мы не пытаемся узнать, из чего они сделаны, а надеемся получить совершенно новые частицы, которых не было до столкновения. Продолжив аналогию с часами, можно сказать, что, идея ускорителя состоит в том, что, ударив одними часами Timex по другим таким же, вы надеетесь, что из их осколков соберутся часы Rolex.

Для достижения огромных скоростей в ускорителях используется основное свойство заряженных частиц (например, электронов и протонов): с помощью электрических и магнитных полей их можно ускорить и заставить вращаться. На практике мы используем электрические поля для ускорения частицы до все более высоких скоростей, а магнитные поля – чтобы удерживать их на нужных траекториях, например внутри образующих кольца труб Беватрона или БАКа. С помощью тонкой настройки этих полей, толкающих частицы вперед и удерживающих на нужных траекториях, физики могут искусственно создать такие условия, которые в естественных условиях на Земле не встречаются. (Космические лучи могут обладать даже большей энергией, но такие частицы долетают до нас редко, и их трудно наблюдать.)

Влияние магнитного поля на движение частиц.

Если магнитное поле направлено вверх, оно закручивает положительно заряженные частицы против часовой стрелки, а отрицательно заряженные частицы – по часовой стрелке.

На нейтральные частицы оно вообще не действует.

Неподвижные частицы тоже остаются в покое.

Технологическая задача ясна: ускорить частицы до максимально возможной энергии, столкнуть их друг с другом и посмотреть, какие новые частицы при этом образуются. Каждый из этих этапов труден. БАК представляет собой кульминацию усилий, длившихся не одно десятилетие, в течение которых человечество училось строить все большие и лучшие ускорители.

E = mc

Когда на Беватроне получили антипротоны, это случилось не потому, что антипротоны прятались в протонах или в соответствующих атомных ядрах, а их оттуда выбили. Наоборот, новые частицы родились именно в результате столкновений. На языке квантовой теории поля говорят так: волны, представляющее исходные частицы, возбудили новые колебания в антипротонном поле, которые мы как раз и считаем частицами-антипротонами.

Для того чтобы это произошло, должно хватить энергии, и это – важнейшее условие. На самом деле физика элементарных частиц началась после появления знаменитого уравнения Эйнштейна E = тc, из которого стало ясно, что масса – это просто другая форма существования энергии. В частности, масса объекта – эта та минимальная энергия, которую объект может иметь. Когда кто-то просто сидит совершенно неподвижно, погруженный в свои мысли, количество энергии, которым он обладает, равно его массе, умноженной на квадрат скорости света. Скорость света с – довольно большое число, она равна 300 000 километров в секунду и здесь просто играет роль коэффициента при преобразовании единиц измерений массы в единицы энергии. В физике элементарных частиц любят использовать единицы, где скорость измеряется в количестве световых лет, пройденных за год, и в этом случае скорость света с равна единице, а масса и энергия просто становятся одной и той же величиной: E = т.

А когда объект движется? Иногда в дискуссиях о теории относительности говорят, что масса частицы растет при приближении ее скорости к скорости света, но это немного всех запутывает. Лучше считать массу объекта установленной раз и навсегда, а именно – энергией, которую тело имело бы, если бы не двигалось, а энергию – увеличивающейся по мере роста его скорости. При приближении скорости тела к скорости света с его энергия стремится к бесконечности. Это один из способов понять, почему скорость света является абсолютным пределом скорости, с которой тела могут двигаться, – ведь массивному телу для движения с такой скоростью требуется бесконечное количество энергии. (Безмассовые частицы, напротив, всегда движутся в точности со скоростью света.) Когда ускоритель частиц разгоняет протоны до все больших энергий, их скорость все больше приближается к скорости света, никогда ее не достигая.

Используя магию этого простого уравнения, E = те, физики получают тяжелые частицы из более легких. При столкновениях сохраняется общая энергия, но не общая масса. Масса – это лишь одна из форм энергии, а энергия может быть преобразована из одной формы в другую при условии, что полная энергия остается постоянной. Когда два протона встречаются на больших скоростях, они превратятся в более тяжелые частицы, если их суммарная энергия достаточно велика. Мы даже можем столкнуть совершенно безмассовые частицы и создать из них массивные; два столкнувшихся фотона могут породить электрон-позитронную пару, а два безмассовых глюона, встретившись, породить бозон Хиггса, если только их совокупная энергия больше массы бозона. Бозон Хиггса более чем в сотню раз тяжелее протона, и это – одна из причин того, почему его так трудно получить.

Шкала энергий в электронвольтах. Некоторые значения – приблизительные. В физике элементарных частиц температуру, массу и энергию измеряют в одних и тех же единицах – электронвольтах. Используются также миллиэлектронвольт (1/1000 эВ), кэВ (1000 эВ), МэВ (миллион эВ), ГэВ (миллиард эВ) и ТэВ (триллион эВ).

Физикам, занимающимся элементарными частицами, нравится использовать единицы измерения, в которых посторонние не видят никакого смысла, еще и потому, что это создает ауру таинственности вокруг их деятельности. Кроме того, было бы страшно неудобно использовать одни единицы для массы, а другие – для других видов энергии, так как они постоянно преобразуются друг в друга. Вместо этого всякий раз, когда мы имеем дело с массой, мы просто сразу умножаем ее величину на квадрат скорости света, чтобы превратить в энергию. Таким образом, мы можем измерять все в единицах энергии, что гораздо удобнее.

Излюбленная единица энергии для физиков, работающих с элементарными частицами, – электронвольт, эВ. Один эВ – это количество энергии, которое потребуется для перемещения одного электрона в электростатическом поле между точками с разностью потенциалов в один вольт. Другими словами, требуется девять электронвольт энергии для перемещения электрона с положительного на отрицательный электрод девятивольтового аккумулятора.

Один электронвольт – совсем маленькая энергия. Энергия одного фотона видимого света составляет около двух электронвольт, в то время как кинетическая энергия летящего комара – около триллиона эВ. Количество энергии, которое можно получить, сжигая галлон (примерно 4,5 литра) бензина – больше 10²⁷ эВ, а количество питательной энергии в бигмаке (700 калорий) составляет около 10²⁵ эВ. Таким образом, один эВ – действительно небольшая энергия.

Поскольку масса является формой энергии, физики и массы элементарных частиц измеряют в электронвольтах. Массы протона или нейтрона равны почти миллиарду электронвольт, в то время как масса электрона – полмиллиона эВ. Масса бозона Хиггса, как показало его открытие на БАКе, равна 125 миллиардов эВ. Поскольку один эВ так мал, мы часто используем более удобную единицу – ГэВ, гигаэлектронвольт (один миллиард эВ). Можно также встретить обозначение кэВ для килоэлектронвольт (одна тысяча эВ), МэВ для мегаэлектронвольт (один миллион эВ) и ТэВ для тераэлектронвольт (один триллион эВ). В 2012 году на БАКе столкнулись протоны с суммарной энергией 8 ТэВ, а планируемый максимум энергий для этого ускорителя составляет 14 ТэВ. Это более чем достаточная энергия для того, чтобы родились бозоны Хиггса и другие экзотические частицы, проблема лишь в том, как их обнаружить, когда они появятся.

Можно даже температуру выражать в эВ, поскольку температура – всего лишь средняя энергия молекул в веществе. В таких единицах комнатная температура равна двум сотым электронвольта, а в центре Солнца – около 1 кэВ. Когда температура становится выше массы некоторой частицы, энергия при столкновениях достаточна для создания этой частицы. Даже в центре Солнца, где довольно жарко, температура не столь высока, чтобы рождались электроны (0,5 МэВ), а тем более протоны или нейтроны (массы обоих примерно равны 1 ГэВ), зато в момент Большого взрыва температура была огромной, и этой проблемы не возникало.

Если природа захочет спрятать от нас частицу, самый простой способ – сделать ее такой тяжелой, чтобы мы не смогли произвести ее в лаборатории. Вот почему при строительстве ускорителей всегда преследовалась одна и та же цель – добиваться все более высоких энергий, и вот почему эти установки получают имена вроде Беватрона и Теватрона. Достичь беспрецедентно высоких энергий – все равно что попасть в место, где никто до этого никогда не был.

Европа вырывается вперед

Официальное название ЦЕРНа (CERN) – женевской лаборатории, в чьем ведении находится БАК, – Европейская организация по ядерным исследованиям, или по-французски: Organisation Europeenne Pour La Recherche Nucleaire. Вы можете заметить, что сокращение не сответствует нынешнему названию (то же самое и с английским названием). Это потому, что нынешняя «Организация» является прямым потомком Европейского Совета по ядерным исследованиям – Conseil Europeen Pour La Recherche Nucleaire, от которого и произошло название, но все согласились на том, что нужно оставить старую аббревиатуру даже после того, как полное название было официально изменено. Никто не настаивал на изменении аббревиатуры на неблагозвучное «ОЕРН».

Совет был создан в 1954 году группой из двенадцати стран, стремившихся оживить физические исследования в послевоенной Европе. С тех пор ЦЕРН превратился в форпост физики элементарных частиц и ядерной физики и стал интеллектуальным центром европейской науки. Женева – второй по величине город в Швейцарии, мировой финансовый и дипломатический центр, славящийся издавна своим часовым производством. Теперь и ЦЕРН стал достопримечательностью Женевы, и каждый из шестнадцати пассажиров в женевском аэропорту так или иначе связан с ЦЕРНом. Когда вы летите в Женеву, наверняка в вашем самолете сидит пара церновских физиков.

История ЦЕРНа, как и истории большинства других крупных лабораторий, где ведутся исследования элементарных частиц, – это история строительства все больших и совершенных ускорителей, развивающих все более высокие энергии. В 1957 году был запущен Синхроциклотрон, который ускорял протоны до энергии 0,6 ГэВ, а в 1959-м состоялась инаугурация Протонного синхротрона, который развивал энергию 28 ГэВ. Он функционирует и сегодня, но уже в качестве предускорителя, обеспечивая пучками другие ускорители (в том числе БАК), где частицы разгоняются до еще больших скоростей.

Важный шаг вперед был сделан в 1971 году, когда был построен первый адронный коллайдер (Intersecting Storage Rings – Пересекающиеся накопительные кольца, ISR), в котором предельная полная энергия доходила до 62 ГэВ. ISR был одновременно и протонным коллайдером, и ускорителем. В предыдущих установках протоны ускорялись и направлялись на неподвижные материальные мишени, куда частицам относительно легко попасть. В ISR сталкивались пучки, двигавшиеся в противоположных направлениях (встречные пучки). Эта задача гораздо сложнее в технологическом смысле, но, решив ее, можно достичь более высоких энергий, так как тут вся энергия до последней капельки идет на создание новых частиц. (При работе с неподвижной мишенью вследствие закона сохранения импульса большая часть энергии пучка тратится на «отдачу» мишени.) Идея построения коллайдера частиц была впервые выдвинута в 1950 году Джерардом О’Ниллом – американским физиком, больше прославившимся своим проектом создания среды обитания человека в космическом пространстве. А в 1960-х годах небольшие электрон-позитронные коллайдеры были сконструированы и построены во Фраскати, в Италии австрийским физиком Бруно Тушеком.

Длина коллайдера ISR составляла примерно 1,2 километра. Это была большая машина, но в будущем предстояло построить еще большие. В 1976 году был открыт Протонный суперсинхротрон (SPS) длиной около 6,9 километров, его энергия достигала 300 ГэВ. Всего лишь несколько лет спустя, приняв смелое решение, ЦЕРН модернизировал SPS. Если первоначально там ускорялись протоны, в новой конфигурации должны были сталкиваться протоны с антипротонами. Антипротоны трудно получить, и с ними трудно работать. Они – не то что протоны, которых полно вокруг. Сперва нужно создать антипротоны в столкновениях при более низких энергиях, а затем аккуратнейшим образом собрать их, ни в коем случае не допуская случайных встреч с протонами, иначе частицы аннигилируют, испустив свет. Но если с этим справиться, то возникает огромное преимущество: протоны и антипротоны имеют противоположные заряды, и следовательно, одним и тем же магнитным полем их можно направлять по одинаковым круговым траекториям, но в противоположных направлениях. (В БАКе сталкиваются протоны с протонами, и следовательно, нужно использовать две отдельные трубы для пучков, несущихся в противоположных направлениях.) Итальянский физик Карло Руббиа в 1983 году на модернизированном синхротроне SPS открыл переносчики слабого ядерного взаимодействия W– и Z-бозоны, получив за это в 1984 году Нобелевскую премию.

SPS по-прежнему на ходу и напряженно работает. Благодаря модернизации теперь он ускоряет протоны до 450 ГэВ. Пучки из него поступают в БАК, который разгоняет их до еще более высоких энергий. Физики элементарных частиц очень любят «апгрейдить» старые машины.

В 1989 году ЦЕРН открыл свой следующий большой проект: запустил Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP). Для этого на швейцарско-французской границе на глубине 100 метров проложили новый тоннель, на этот раз с длиной окружности 27 километров. Эти цифры должны вам что-то напомнить, и действительно, туннель, построенный для LEPа, – тот же самый туннель, в котором сейчас помещается БАК. После успешной десятилетней работы в 2000 году LEP был отключен, а вся техника демонтирована – нужно было освободить место для БАКа.

Большой электрон-позитронный коллайдер

Протоны – адроны, то есть сильно взаимодействующие частицы. Когда вы сталкиваете два протона друг с другом (или протон и антипротон), предсказать результат не очень просто. На самом деле там происходит следующее: один из кварков или глюонов первого адрона налетает на кварк или глюон второго адрона, но проблема в том, что вы не знаете точного значения начальной энергии ни одной из частиц, поэтому непонятно, с чего начать анализ. У машины, в которой сталкиваются электроны и позитроны, совсем другое назначение: она построена в первую очередь для точных измерений, а не в качестве инструмента грубой силы. Когда электрон и позитрон сталкиваются, как это происходит в LEPе, вы точно знаете, что происходит, а такие инструменты лучше подходят для тонких измерений свойств известных частиц, чем для открытия новых. Если воспользоваться аналогией с игрой «Где же Уолдо?»[2], то в экспериментах на адронном коллайдере ваш взгляд как бы беспорядочно блуждает по всей картине в поисках забавной полосатой шапочки, а эксперименты на электрон-позитронном коллайдере похожи на нанесение мелкой сетки на рисунок и кропотливого изучения всех лиц, одного за другим.

LEP был настолько точным прибором, что с его помощью оказалось даже возможным обнаружить влияние Луны, или, по крайней мере, приливов, которые она вызывает. Каждый день гравитационное поле Луны притягивает Землю, а в ЦЕРНе эти крошечные деформации Земли каждый день вызывают растяжение и сжатие общей длины туннеля LEPа примерно на миллиметр. В масштабах двадцатисемикилометровой пучковой трубы не так уж много – но этого достаточно, чтобы вызвать крошечные колебания энергии электронов и позитронов. И такой высокоточный инструмент, как LEP, их быстро уловил. После первых недоумений по поводу странных суточных колебаний энергии частиц физики ЦЕРНа быстро разобрались в том, что происходит. (Кстати, такой способ обнаружения Луны ничем не отличается от того метода, которым астрофизики доказывают существование темной материи во Вселенной, а именно – по наличию ее гравитационного воздействия.) А еще LEP зарегистрировал всплески токов утечки, возникавшие в момент отправления высокоскоростных поездов TGV от вокзала Женевы и заметно менявшие режим работы тонко настроенной машины.

Но LEP был сконструирован не для того, чтобы физики с его помощью определяли воздействие Луны на Землю или время отправления поездов. Они хотели найти бозон Хиггса. И в какой-то момент им показалось, что они нашли его.

После десятилетия очень успешной работы, в ходе которой были проведено множество прецизионных измерений свойств частиц Стандартной модели (хотя новых частиц обнаружено не было), в сентябре 2000 года планировалось LEP остановить и демонтировать, чтобы освободить место для БАКа. Зная, что их машине осталось жить всего несколько месяцев, инженеры и техники решили пойти ва-банк и, используя все возможные резервы и ухищрения, выжали из нее энергию 209 ГэВ. Такую большую энергию на этом ускорители никогда раньше даже и не мечтали получить. Команда LEP рассудила так: если коллайдер сломается – ну так что ж, он все равно уже был «сбитым летчиком».

Когда пучки частиц разогнали до этих невиданных энергий, ученые из группы детектора ALEPH во главе с Сау Лан Ву – профессором Университета Висконсин-Мэдисон – заметила несколько событий, выделявшихся на фоне остальных. Появилось всего несколько слабых намеков, но именно таких сигналов следовало бы ожидать, если бы бозон Хиггса скрывался в области масс вокруг 115 ГэВ – прямо на краю того диапазона энергий, где LEP мог отслеживать события. Профессору Ву принадлежит несколько важных научных результатов, в частности она в составе группы ученых получила премию Европейского физического общества за эксперимент 1979 года, который помог установить существование глюонов. И вот теперь она как будто взяла след бозона Хиггса и не намерена была упустить возможность его поймать.

Обычно несколько многообещающих событий в детекторе частиц – еще не причина для радости, даже если они выглядят в точности как Святой Грааль, за которым вы и ваши коллеги охотились годами. В физике элементарных частиц очень важна статистика: почти все события, которые видны в детекторе, могут произойти множеством способов, и весь фокус в том, как отличить процесс, идущий без новой частицы, от процесса, который наблюдается при ее появлении. Так что если несколько событий намекают на что-то интересное, нужно просто собрать больше данных. Сигнал либо усилится, либо исчезнет.

Но как собрать больше данных, если ЦЕРН собирается выключить ускоритель? И тогда Ву и другие физики обратились к Лучано Майани – он в то время был генеральным директором ЦЕРНа – с просьбой продлить работу LEPа для сбора большего количества данных. Все понимали важность возможного открытия и то, какое сожаление все испытают, если машину остановят как раз тогда, когда появилась надежда найти бозон Хиггса. Не часто удается первыми увидеть элементарную частицу, особенно ту, которая играет ключевую роль в физике. Как с пафосом сказал Патрик Жано, «мы вписываем новую строку в историю человечества». Кроме всего прочего, в ЦЕРНе знали, что их конкуренты из Фермилаба, исследовательского центра, расположенного в пригороде Чикаго, также нацелились на поиски бозона Хиггса на своем ускорителе – Теватроне. И ученые ЦЕРНа боялись, что американцы найдут Хиггса раньше, чем БАК начнет работать, поскольку область энергий порядка 115 ГэВ была вполне доступной для Теватрона. Физика элементарных частиц, конечно, немыслима без международного сотрудничества, но это не значит, что в душе каждого ученого не горит огонь соперничества.

Майани, оценив все, что было поставлено на карту, выбрал компромисс: LEP будет все-таки закрыт, но только после того, как проработает еще один месяц, – до октября 2000 года. Охотники на бозон Хиггса поворчали немного и бросились собирать дополнительные данные в поисках событий, подтверждающих участие бозона Хиггса. И они нашли их – правда, всего несколько, но зато не только на детекторе ALEPH, где работала команда Ву, но на четырех других детекторах LEPа. Но собрали они и множество «фоновых» событий, которые вообще ничем не намекали на присутствие бозона Хиггса.

Когда дополнительное время, отведенное LEPу для работы, подошло к концу, общая статистическая значимость предполагаемого появления бозона Хиггса даже уменьшилась. Сигнал потерялся за фоновыми событиями. Можно было разрешить LEP и дальше работать, но это привело бы к серьезным задержкам в графике строительства БАКа, что означало бы увеличение расходов и перенос на более позднюю дату запуск долгожданного Большого коллайдера. Как бы заманчиво это ни было – в последний момент схватить за хвост жар-птицу, но настало время LEPу уйти на пенсию и передать эстафетную палочку другим ускорителям.

Американские лаборатории: SLAC, Брукхейвен, Фермилаб

Кроме ЦЕРНа, успешно объединившего усилия многих стран Европы (а в последнее время и мира) для создания ведущей физической лаборатории, очень много сделали для понимания природы частиц и сил и другие научные лаборатории. В частности, значительный вклад в «сборку» Стандартной модели внесли три американские лаборатории: Национальная ускорительная лаборатория SLAC (Стэнфордская национальная ускорительная лаборатория) при Стэнфордском университете в Калифорнии, Брукхейвенская лаборатория на Лонг-Айленде и Фермилаб в окрестностях Чикаго.

SLAC первоначально было аббревиатурой полного названия «Stanford Linear Accelerator Center» – Стэнфордского центра линейного ускорителя, но в 2008 году министерство энергетики США официально переименовало его в «Центр линейного ускорителя SLAC» по-видимому, потому, что кто-то из начальников был любителем рекурсий. (Более правдоподобная версия состоит в том, что Стэнфордский университет не хотел, чтобы министерство энергетики использовало в товарном знаке аббревиатуру, содержащую имя университета).

Основанный в 1962 году, SLAC – уникальное место для физиков элементарных частиц, поскольку там сконструирован линейный ускоритель высоких энергий – частицы летят в нем не по кольцу, а по прямой. Здание, в котором находится ускоритель, имеет в длину 3.2 километра – это самое длинное сооружение в США и третье по длине в мире. (Первое место занимает Великая китайская стена, а второе – Форт Рэникот в Пакистане – военная крепость XVII века.) Изначально в этом ускорителе разгонялись электроны, которые потом врезались в неподвижные мишени. В 1980-х годах ускоритель подвергся модернизации, после чего там стали сталкивать электроны с позитронами, а еще позже в лаборатории появился и кольцевой ускоритель, а линейный используют в качестве первой ступени.

SLAC сыграл ключевую роль в открытии нескольких частиц, в том числе очарованного кварка и тау-лептона, но, несомненно, его основной вклад состоял в том, что с его помощью было показано, что сама идея «кварков» – правильная. За это открытие в 1990 году была присуждена Нобелевская премия Джерому Фридману и Генри Кендаллу из Массачусетского технологического института (MIT) и Ричарду Тейлору из лаборатории SLAC, которые в 1970-х годах использовали пучок электронов, ускоренный на SLACе, для изучения внутренней структуры протонов. Команда SLAC – MIT тогда показала, что низкоэнергетические электроны проходят прямо сквозь протоны, не особо отклоняясь, в то время как электроны с высокой энергий (которым, как логично было бы предположить, еще легче пройти сквозь протоны), чаще всего отклонялись под странными углами. Как известно, частицам с более высокими энергиями соответствуют колебания с меньшей длиной волны, поэтому они более чувствительны к тому, что происходит на очень малых масштабах. Те препятствия, на которые натыкались высокоэнергетичные электроны, оказались очень маленькими частицами, живущими внутри протонов. Это явилось первым доказательством существования хорошо знакомых нам сейчас кварков.

Брукхейвенская национальная лаборатория была основана в 1947 году. За работы, сделанные в Брукхейвене, получены семь различных Нобелевских премий: пять по физике и две по химии. В частности, мюонное нейтрино, за открытие которого Ледерман, Шварц и Штейнбергер получили одну на троих Нобелевскую премию, было обнаружено в Брукхейвене. В настоящее время основной вклад в исследование элементарных частиц вносит расположенный там релятивистский коллайдер тяжелых ионов (RHIC) – кольцо длиной почти 4 километра, где сталкиваются друг с другом тяжелые ядра, и в результате образуется своего рода кварк-глюонная плазма типа той, что существовала вскоре после Большого взрыва. Составители Книги рекордов Гиннеса зарегистрировали достигнутый на RHIC температурный рекорд – там была получена наивысшая из всех когда-либо полученных в искусственных условиях температура – более семи миллионов градусов по Фаренгейту (примерно 4 миллиона градусов Цельсия), что в 250 000 раз выше, чем температура в центре Солнца. Цель исследований на RHIC состоит не столько в поисках новых частиц, сколько в исследованиях поведения кварков и глюонов в этих экстремальных условиях.

Еще один важный центр физики высоких энергий – Национальная ускорительная лаборатория имени Ферми, или кратко – Фермилаб. Главное сооружение Фермилаба – гигантские кольца, где протоны и антипротоны ускоряются до высоких энергий; благодаря им Фермилаб на протяжении большей части своего существования был прямым конкурентом ЦЕРНа. Фермилаб был основан в 1967 году, первым его руководителем стал Роберт Уилсон – ученый-универсал и гениальный администратор, прославившийся среди физиков своей креативностью и способностью добиться практически невозможного. При нем новая лаборатория была не только построена досрочно, но и на меньшие, чем предусмотрено бюджетом, средства. Кроме того, Уилсон сам спроектировал главное здание лаборатории и создал множество скульптур, которые вдохнули в это место жизнь и сделали его неповторимым. Когда Уилсон, который какое-то время обучался ваянию в Академии изящных искусств в Риме, предложил возвести на территории лаборатории 10-метровый металлический обелиск, ему было отказано, поскольку правила профсоюза сварщиков требуют, чтобы все сварочные работы проводились только членами профсоюза. Реакция Уилсона была необычной, но очень характерной для него: он вошел в союз сварщиков, поступил учеником к главному сварщику механического цеха Фермилаба Джеймсу Форестеру и послушно прошел курс обучения. Обелиск, который Уилсон сооружал в обеденное время и выходные дни, был установлен в 1978 году недалеко от главного здания.

Гордостью лаборатории Ферми был Теватрон – громадная машина, в которой сталкивались протоны с антипротонами при энергиях 2000 ГэВ. (Вспомним, что «ТэВ» означает один терраэлектронвольт, что составляет один триллион электронвольт или 1000 ГэВ.) Завершенный в 1983 году Теватрон был тогда ускорителем с самой высокой энергией в мире, пока этот титул не перешел в 2009 году к БАКу. Свой звездный час Теватрон пережил в 1995 году, когда на нем был открыт необычайно массивный истинный (top) – кварк. Гордон Уоттс из Университета Вашингтона, который был в то время аспирантом в лаборатории Ферми, вспоминает момент, когда сигнал поднялся выше важного порога «три сигма» (подробнее про него будет сказано в главе 9), что позволяло объявить об открытии новой частицы:

Мы собрались на одно из серии важных заседаний, где обсуждались результаты всех анализов, которые должны были вот-вот докладываться на ближайшей конференции. В каждом анализе наблюдался небольшой избыточный сигнал, но он был столь маленьким, что не выглядел особенно значимым. На самом деле примерно те же результаты демонстрировались достаточно регулярно, мы все привыкли к ним, и на этот раз проигнорировали. Заканчивалось одно из заседаний этого обычного марафона, комната была переполнена, я сидел на полу фактически в самом конце аудитории. Было жарко, и воздух в помещении был… ммм… тяжелым (мягко говоря). Мы уже ждали последнего выступления, но тут один из слушателей, который, видимо, вошел в аудиторию достаточно рано, раз ему достался стул, поднял руку и произнес:… «Э-э…, минуточку… я делаю самую простую операцию: складываю весь фон и все сигналы и получаю больше трех сигм». В аудитории наступила тишина, все вспоминали, что было сказано в докладах, и пытались понять, прав автор реплики или нет. И тут либо докладчик, либо председатель собрания открыл рот… и грязно выругался. Я думаю, у всех холодок пробежал по спине.

Но долгожданный бозон Хиггса оставался вне пределов досягаемости Теватрона. С меньшими энергией и светимостью, чем у БАКа, американская машина всегда была аутсайдером в этой гонке. И только после того, как LEP был отключен, а БАК еще не заработал, у сотрудников Фермилаба появились шансы на то, что они первыми найдут надежные свидетельства существования таинственной частицы. Однако им это не удалось – физики с Теватрона смогли только исключить некоторые диапазоны масс, в которых бозона Хиггса не могло быть.

30 сентября 2011 года Теватрон был отключен навсегда – у американцев не хватало денег, да еще заработал БАК, гораздо более мощный. Закончилась работа последнего крупного коллайдера частиц высоких энергий на территории США. (Релятивистский коллайдер тяжелых ионов в Брукхейвене выполняет важную работу для ядерной физики, но он – не конкурент в поисках новых частиц, поскольку его максимальная энергия меньше 10 ГэВ на нуклон.) Будет ли у него когда-нибудь преемник, пока не известно.

Суперколлайдер

Предполагалось, что у Теватрона будет преемник – Сверхпроводящий суперколлайдер (ССК), проект которого был одобрен президентом Рональдом Рейганом в 1987 году и который первоначально планировалось запустить в 1996 году. ССК был невероятно амбициозным проектом, предусматривающим сооружение совершенно нового кольца с длиной окружности примерно 87 км и полной энергией сталкивающихся протонов 40 ТэВ, что в двадцать раз выше, чем на Теватроне. Оглядываясь назад, можно сказать, что проект оказался, видимо, слишком амбициозным. В первые дни, когда место для лаборатории еще не было выбрано, поддержка проекта была почти единодушной: представители почти всех штатов в Конгрессе надеялась, что смогут заполучить масштабный проект для своего штата и похвастаться этим перед избирателями. 43 из 50 американских штатов восприняли конкурс настолько серьезно, что даже провели геологические изыскания и экономическую экспертизу. Победителем стал Техас, точнее, территория возле сонного городка Ваксахачи, расположенного примерно в 50 км к югу от Далласа.

Но после того, как место для ССК было выбрано, энтузиазм в отношении проекта у представителей оставшихся ни с чем 49 штатов в Конгрессе сразу угас. Это были годы усиления требований по введению контроля над дефицитом федерального бюджета, а стоимость ССК, и в начале немаленькая, выросла почти в три раза, до 12 миллиардов долларов. Дополнительным негативным фактором (если не в представлении ученых, то уж точно в головах правительственных чиновников) была конкуренция проекту Суперколлайдера со стороны другого гигантского проекта – Международной космической станции. Бюджет МКС составлял свыше 50 миллиардов долларов только на саму станцию, разрабатываемую в NASA, а если включить в общую стоимость полеты космических шаттлов, получалось более 100 миллиардов долларов. И это при том, что большая часть денег на этот гигантский проект также должна была в конечном итоге осесть в Техасе – в Джонсоновском космическом центре управления полетами.

Я спросил Джоан Хьюэтт, теоретика из лаборатории SLAC, когда она решила пойти туда работать. Джоан назвала точную дату – 21 октября 1993. Это был день, когда Конгресс проголосовал за то, чтобы окончательно похоронить проект ССК. Хьюэтт звали и в лаборатории Суперколлайдера, и в SLAC, и естественно, она предпочла бы работать в новой команде и окунуться в захватывающую атмосферу создания новой машины на стадии ее строительства. Все то осеннее утро она внимательно наблюдала по каналу C-SPAN за слушаниями в Конгрессе, с ужасом понимая, что обсуждение идет в неправильном направлении. Она провела день в рыданиях, а потом позвонила директору SLACа и приняла его предложение. Ее карьера сложилась вполне успешно, в Стэнфорде она строила новые модели в физике элементарных частиц и изобретала хитроумные способы их проверки на основании полученных экспериментальных данных. Но невозможно было не чувствовать разочарования из-за несбывшейся надежды получать эти данные не из чужой лаборатории, а прямо у себя, раньше всех и при гораздо больших энергиях столкновений.

Сам я в то время был свежеиспеченным постдоком, членом группы, занимавшейся теорией элементарных частиц в Массачусетском технологическом институте. Я помню, мрачную атмосферу на встрече, которую мы проводили, пригласив все физическое сообщество большого Бостона поговорить о том, что делать дальше. Некоторые вопросы были чисто научными, например есть ли альтернативный способ решения тех задач, для которых разработан ССК. Но в основном говорили о том, должны ли мы направить свои усилия на поддержку серьезных инвестиций со стороны США в БАК или правильнее продолжать бой за ССК, который, впрочем, был уже проигран. Некоторые из вопросов были даже еще более практическими: есть ли какие-то способы помочь найти работу, хотя бы временную, тем ученым, которые остались на улице после закрытия лаборатории ССК?

На момент закрытия проекта Суперколлайдера на него уже было потрачено $2 млрд, выкопана часть туннеля и создана часть необходимой инфраструктуры. Трудно точно понять главный мотив решения Конгресса по закрытию проекта, но известно, что чиновники часто жаловались на нежелание руководства ССК следовать принятым бюрократическим процедурам. Отчет 1994 года, составленный комитетом Конгресса после закрытия проекта, назывался: «Потеря контроля: уроки Сверхпроводящего суперколлайдера». Он содержал подробный перечень многочисленных фактов бесхозяйственности, в том числе постоянную недооценку затрат, невыполнение обязательных внутренних проверок, а также трудности ученых в общении с Конгрессом и самим министерством энергетики. Иногда критика звучали глупо, например, когда газеты сообщили, что лаборатория потратила 20 000 долларов на растения, а эта сумма, как оказалось, включала затраты на озеленение территории. Физиков, меж тем, раздражало, что их отвлекают на то, что им казалось бюрократическими проволочками. Рой Швиттерс, бывший в то время директором лаборатории ССК, раздраженно заявил репортерам: «Наше время и энергию откачивают бюрократы и политики. Мы на ССК становимся жертвой мести студентов-троечников». Оглядываясь назад, мы понимаем, что это была, возможно, не самая политически дальновидная формулировка.

Кроме всего прочего, внутри физического сообщества тоже шла борьба. В то время как физика элементарных частиц на свои исследования получила изрядное финансирование и сумела привлечь общественное внимание, на другие направления физики выделялись гораздо меньшие деньги, и широкая общественность ими почти не интересовалась. Только семь процентов членов Американского физического общества (APS) состоят в Отделении элементарных частиц и полей, остальные занимаются исследованиями в области конденсированных сред и материалов, атомной и молекулярной физики, оптики, астрофизики, физики плазмы, гидродинамики, биофизики или другими направлениями. В конце 1980-х и начале 1990-х годов многие физики, работавшие в этих областях, были изрядно раздражены непропорционально щедрым финансированием работ по физике элементарных частиц, и для них проект ССК стал символом серьезного искажения приоритетов.

В 1987 году Боб Парк, бывший в то время исполнительным директором отдела APS (Американского физического общества) по связям с общественностью, сказал, что проект ССК «пожалуй, самый спорный из всех, расколовших физическое сообщество». Филип Андерсон из Принстона, уважаемый физик, специалист в области физики конденсированных сред, получивший Нобелевскую премию в 1977 году, заявил, что масштаб «результатов, полученных в физике элементарных частиц, совершенно не соответствует не только реальным затратам, но и несравним с масштабом результатов, полученных в других науках», и хотя ССК – хороший проект с научной точки зрения, деньги, которые он требует, лучше бы потратить на развитие других направлений науки. Джеймс Крумхансл, ученый-материаловед из Корнелла, который должен был стать следующим президентом APS, считал, что проект забирает деньги из более рентабельных областей исследований и с разработкой нового ускорителя частиц нужно подождать, пока технологии изготовления сверхпроводниковых магнитов не усовершенствуются. Кроме всего прочего, физики, занимающиеся элементарными частицами, часто сами себе вредили, хвастаясь перед коллегами своими достижениями в других областях, которые они считали побочными продуктами развития ускорителей, например, в магнитно-резонансной томографии. Николас Бломберген – еще один лауреат Нобелевской премии и президент APS – в 1991 году заявил: «Как один из пионеров в области магнитного резонанса, могу заверить вас, что он возник из физики микрообъектов».

Под натиском проблем, связанных с бюрократическим контролем, бюджетными проблемами и определением приоритетов в науке, немного отошли на второй план более важные вопросы о значении фундаментальных исследований и ценности собственно открытий самих по себе. В 1993 году в США избрали нового президента, сменились и многие конгрессмены, и новые поклялись народу взять государственные расходы под строгий контроль. Берлинская стена и Советский Союз рухнули, окончилась холодная война, а с ней и сопровожшее ее соревнование за технологическое превосходство. Роль физики высоких энергий в национальной политике, достигшая своего апогея во время Второй мировой войны в ходе выполнения Манхэттенского проекта, все последующие годы постепенное снижалась. Большинство думающих людей согласятся с тем, что задача лучшего понимания устройства Вселенной является важной, но не менее важно организовать адекватную медицинскую помощь и рабочие места для граждан страны. Выбрать здесь приоритеты и сбалансировать их между собой было не легко даже в самые благополучные времена.

После того как ССК был закрыт навсегда, отведенная для него земля и объекты инфраструктуры передали штату Техас, который очень долго пытался продать их частным владельцам. Это, наконец, удалось в 2006 году, когда миллионер из Арканзаса по имени Джонни Брайан Хант приобрел участок за 6,5 миллионов долларов. Хант хотел превратить комплекс ССК в супербезопасные информационные центры (дата-центры). Лаборатория ССК уже была оборудована силовыми и телекоммуникационными линиями, место тщательно выбиралось подальше от эпицентров возможных землетрясений и наводнений. Но в конце того же года 79-летний Хант поскользнулся на льду, сиьно ударился головой и умер. Планы по организации дата-центра были забыты, а участок под ССК снова оказался заброшенным. По сведениям на 2012 год, комплекс сегодня принадлежит владельцу химических заводов, который надеется построить там новый химический завод, но соседи возражают против этого. Какой бы ни была дальнейшая судьба лаборатории ССК, Ваксахачи уже никогда не сыграет важную роль в поиске бозона Хиггса.

Как многие и предсказывали, закрытие проекта ССК не привело к увеличению финансирования в других областях науки. Более того, те же самые конгрессмены, которые с таким энтузиазмом недавно голосовали за урезание расходов, с удовольствием стали распределять высвободившиеся деньги. В этой грустной истории был, однако, один бенефициант: Большой адронный коллайдер. Американские физики, которым власти отказали в постройке своей супермашины, успешно пролоббировали повышение участия США в проекте БАКа. Вливание американских денег сильно помогло продвинуть проект коллайдера и сохранить надежду на то, что бозон Хиггса когда-нибудь все-таки удастся поймать.

Мы посетим Большой адронный коллайдер – символ триумфа науки и техники, сыгравший важную роль в поисках и обнаружении бозона Хиггса.

10 сентября 2008 года началась большая жизнь Большого адронного коллайдера. Первые протоны успешно проделали весь путь по кольцу. Тысячи физиков всего мира были счастливы. Полетели в потолок пробки шампанского, сотрудники ЦЕРНа радостно похлопали друг друга по спине, произнесли пологающиеся в этом случае речи, и наступила новая эра грандиозных открытий.

А девять дней спустя коллайдер взорвался.

Не весь, конечно. БАК помещается в кольцевом туннеле, вырытом на глубине около 100 м. Он образует кольцо с длиной окружности примерно 26,7 км, пересекающее франко-швейцарскую границу в пятнадцати минутах езды от центра Женевы. Чтобы взорвалась такая махина, нужен какой-то невероятный катаклизм. Но с отдельными ее частями это вполне может произойти.

Для того чтобы БАК работал, внутри должно быть очень холодно. Машина гоняет пучки протонов по двум отдельным пучковым трубам: в одной пучок движется по часовой стрелке, в другой – против, пучки могут столкнуться в определенных местах – там, где расположены детекторы. Обе пучковые трубы окружены сверхмощными магнитами, задача которых искривлять траекторию протонов так, чтобы они оставались на правильном пути.

Магнитное поле создать легко: нужно просто пропустить электрический ток через виток проволоки. Чтобы получить сильные поля, требуется большой ток. Но большинство материалов, даже высококачественные провода, оказывают некоторое сопротивление току. Проблема состоит в том, что провод начинает нагреваться и в конце концов плавится. Для борьбы с этой проблемой провода охлаждают до невероятно низкой температуры, тогда они становятся сверхпроводящими. Сверхпроводник не имеет никакого сопротивления вообще, так что при прохождении через него тока его температура не повышается. БАК является самым крупным холодильником в мире (с большим отрывом от остальных), и охлаждение его магнитов достигается с помощью жидкого гелия, температура в котором поддерживается на уровне 1,9 градуса Кельвина (минус 271 градус по Цельсию) выше абсолютного нуля – самой низкой возможной температуры.

Но все время нужно следить: при малейшем увеличении температуры гелия провода магнитов тут же перестанут быть сверхпроводящими. Если это произойдет, огромные электрические токи, проходящие через них, встретят сопротивление, и в результате нагреют провода еще больше. От них, в свою очередь, нагреется гелий, и процесс выйдет из-под контроля, при этом жидкий гелий вскипит, превратится в газ и взорвется в своих контейнерах. Когда БАК работает, магниты всегда на волоске от катастрофы.

Такое катастрофическое развитие событий на профессиональном языке называется квенчем магнита. 19 сентября 2008 года незначительная, казалось бы, неисправность в электрическом контакте вызвала квенч в одном магните, а затем процесс быстро распространился на другие, соседние магниты. Лин Эванс, в то время бывший главой БАКа, сидел в это время в офисе для персонала и спорил по какому-то довольно тривиальному вопросу, когда зазвонил его мобильный. Эванса просили немедленно прийти – случилось что-то серьезное. «Это был ужас! – вспоминал Эванс, – я никогда не видел подобного даже на экране компьютера. Везде мигали красные сигналы тревоги».

Виновник неисправности был в конечном счете найден – им оказался плохой контакт в сверхпроводящем соединении, в результате чего возникла электрическая дуга, пробившая гелиевый дьюар. Из 1232 магнитов, направляющих протоны вдоль кольца БАКа, более пятидесяти пришлось заменить. Первоначально в докладах ЦЕРНа авария была охарактеризована как «утечка» гелия, но в данном случае больше подходит термин «взрыв». Более шести тонн жидкого гелия в течение нескольких минут было выброшено в туннель, давление там поднялось так резко, что магниты просто вырвало из пола, к которому они были прикручены болтами. Техника безопасности запрещает сотрудникам быть в туннеле БАКа, когда там циркулируют протоны, и хотя во время инцидента пучки были отключены, к счастью, на поврежденном участке в то время никого не было и никто не пострадал.

Удвоение усилий

Действительно, физически никто не пострадал. Но моральный ущерб был огромным. Роберт Аймар – французский физик, бывший в то время генеральным директором ЦЕРНа, – выпустил пресс-релиз, в котором говорилось: «Авария, случившаяся сразу после очень успешного начала работы БАКа 10 сентября, вызвала, несомненно, психологический шок». После стольких лет тяжелой подготовительной работы подойти так близко к долгожданному моменту запуска БАКа и из-за какой-то досадной неполадки пережить крушение всех надежд!

Но это история со счастливым концом. Как ни велико было разочарование, охватившее команду ЦЕРНа после взрыва 19 сентября, задача восстановления БАК только сплотила всех. Инженеры и физики бросились проверять и усиливать каждый узел машины, чтобы она выдержала те беспрецедентно высокие энергии, которые они собирались получить. Дело было не просто в том, чтобы подкрутить несколько винтов: требовалось не только отремонтировать поврежденное оборудование, но и все остальные детали машины довести до более высокого стандарта качества. И вот, несмотря на множество трудностей, не прошло и года, как ускоритель был готов к повторному запуску.

Официально должность Майка Ламона называлась «координатор БАКа», но фанаты «Звездного пути» однажды назвали его «Мистером Скоттом с БАКа[3]». Он проработал в ЦЕРНе более 23 лет, в его обязанности входило поддержание пучка протонов в рабочем состоянии даже в тех случаях, когда для этого возникали казалось бы непреодолимые препятствия. Крошечные неполадки, конечно, происходят все время, но по мере того, как день повторного запуска БАКа приближался, каждый чих представлялся смертельной болезнью. Например, во время испытаний 3 ноября 2009 года температура на некоторых магнитах начала расти из-за электрической неисправности на одной из электростанций на поверхности. Неисправность быстро ликвидировали, и Ламот объяснил любопытным репортерам, что проблема возникла из-за крошечного кусочка хлеба, упавшего на электрошину – видимо, пролетавшая птица выронила из клюва. Работа на ускорителе шла как обычно, но репортеры все-таки сумели раздуть сенсацию. The Telegraph напечатал фотографию детектора CMS рядом с фотографией голубя с подписью «Большой адронный коллайдер (слева) и его заклятый враг (справа)».

20 ноября 2009 года по трубам БАКа впервые с момента аварии полетели протоны. Через три дня пучки направили навстречу друг другу, чтобы увидеть первые столкновения. А всего лишь через семь дней после этого энергию в ускорителе подняли до такой величины, что БАК тут же вышел на первое место по энергии столкновений среди всех когда-либо построенных ускорителей.

Обычным графиком предусматривалось, что в течение большей части зимы из соображений экономии БАК не работает – в эти месяцы электричество в Женеве дороже, чем в другие периоды года. Но в 2009/2010 в команде ускорителя царило такое нетерпение, что график изменили. Ускоритель проработал зиму, и первые значимые данные (уже не «эксплуатационные», которые используются для тестирования установки) получили уже в начале 2010 года. В марте 2010 года энергия БАКа была поднята до запланированного промежуточного значения (половины максимального уровня энергии), что составило рекордную величину для столкновений частиц высоких энергий. Шампанское вновь потекло рекой.

Оглядываясь назад, можно сказать, что авария, произошедшая в сентябре 2008 года, помогла физикам и техникам БАКа намного лучше изучить свою машину, и в результате, начиная с 2010 года, физические исследования на ускорителе шли без существенных перерывов. Учитывая, что до 2010 года серьезных экспериментов на БАКе по сути не проводилось, почти для всех стало полнейшей неожиданностью то, что уже к июлю 2012 года было собрано и проанализировано достаточно данных для обнаружения бозона Хиггса. Представьте, что вы купили дорогой автомобиль, который почти сразу сломался. Вам пришлось бы потратить время, чтобы найти некоторые досадные неполадки и исправить их, но как только вы справитесь с этим, выедете на автостраду и надавите на газ, вы почувствуете, что взлетаете.

Большой адронный коллайдер – это в чистом виде Большая наука. Количество подвижных частей – как живых, так и механических – может испугать, а может и удручить. Лауреат Нобелевской премии Джек Стейнбергер заметил: «БАК – это символ того, как трудно в наши дни добиться существенного продвижения в науке. Какая огромная разница с моими аспирантскими годами, когда 65 лет назад я в одиночку за полгода смог проделать эксперимент, и он оказался важным». БАК – это самая крупная и наиболее сложная машина из всех конструкций, построенных людьми, и иногда удивляешься, что она вообще работает.

Но она работает и работает на редкость хорошо. Физики, с которыми я беседовал, когда писал эту книгу, снова и снова говорили о потрясающих масштабах проекта, но их восхищал не только он. По их мнению, ЦЕРН можно рассматривать в качестве модели крупномасштабного международного сотрудничества. Джо Инкандела сказал однажды: «Меня поразило, что у нас работают бок о бок ученые из 70 стран мира – палестинцы и израильтяне, иранцы и иракцы. Такое сотрудничество во имя Большой науки следовало бы взять за образец для подражания». Джо Ликкен – американский физик-теоретик из лаборатории Ферми – грустно сказал: «Если бы только ООН могла работать как ЦЕРН, мир был бы намного лучше».

Если считать, что изучение частиц, подобных бозону Хиггса, требующих для своего рождения огромного количества энергии, – цель, оправдывающая затраты, то единственный способ достичь этой цели – развивать эту Большую науку. Существует море фантастически интересной науки, которой нужно заниматься, и это можно делать с помощью недорогих лабораторных экспериментов, но открытие новых тяжелых частиц – не из этой категории. Сейчас БАК является единственным в своем роде инструментом для занятий такого рода научной деятельностью, и то, что он работает, свидетельствует о необыкновенной человеческой изобретательности и настойчивости.

Подготовка проекта

БАК – это апофеоз человеческой способности все точно спланировать и спроектировать. Физики ЦЕРНа ко времени создания проекта уже довольно долго мечтали о гигантском протонном коллайдере, но первые «официальные» дискуссии о том, чем в конечном счете должен стать БАК, прошли на семинаре в Лозанне (Швейцария) в марте 1984 года. Те, кто был занят разработкой проекта, знали, что в США рассматривается похожий проект, который в конечном счете должен был стать Сверхпроводящим суперколлайдером (ССК), и исходя из этого, должны были решить, имеет ли смысл тратить ограниченные ресурсы на европейского конкурента. (Тогда еще никто не знал, что проект ССК в конечном итоге будет закрыт.) В отличие от проекта ССК, который был новым объектом, и его строительство начиналось с нуля, коллайдер БАК предполагалось поместить внутри готового туннеля, уже выкопанного для ускорителя LEP, что накладывало ограничения на его размеры и мощность. В результате предполагаемое значение энергии для БАКа составило 14 ТэВ, то есть чуть больше одной трети соответствующего показателя для ССК (40 ТэВ). Зато на БАКе предполагалось получать ежесекундно больше столкновений, и кроме того, плнировалось, что он будет дешевле. При благоприятном стечении обстоятельств и везении могло оказаться, что все интересные физические явления происходят при энергиях, меньших 14 ТэВ, и, таким образом, более высокие энергии, на которые был рассчитан ССК, стали бы не нужны.

Больше всего для продвижения проекта БАКа сделал итальянский физик Карло Руббиа, смелый человек и великолепный экспериментатор, получивший в 1984 году Нобелевскую премию за открытие W– и Z-бозонов. Руббиа был чрезвычайно влиятельной фигурой, его хорошо знали благодаря не только достижениям в науке (весьма значительным), но и волевому характеру. Именно он добился строительства в ЦЕРНе в 1981 году первого протон-антипротонного коллайдера ISR, концепция которого позже будет принята и в Фермилабе при строительстве Теватрона. (При проектировании БАКа вернулись к идее столкновения протонов друг с другом, поскольку создание нужного количества антипротонов для получения требуемого числа столкновений оказалось слишком сложной задачей.)

Сначала в качестве председателя группы стратегического планирования ЦЕРНа, а затем в качестве генерального директора лаборатории с 1989 по 1993 год Руббиа энергично продвигал проект БАКа еще тогда, когда LEP не закончил свою работу, а в США строительство ССКа не было остановлено. В Европе имелись свои финансовые проблемы, особенно в ФРГ, где незадолго до этого произошло воссоединение двух Германий, и затраты на него все время возрастали. Постепенно Руббиа смог убедить европейские правительства, что адронный коллайдер должен стать следующим шагом в развитии лаборатории ЦЕРН независимо от того, что делают другие страны. Но только в 1991 году Совет ЦЕРНа принял резолюцию, в которой официально зафиксировал решение изучить предложения по проекту БАКа, а окончательно проект БАК был утвержден лишь в декабре 1994 года (уже после остановки строительства ССК). Лин Эванс был назначен директором БАКа, и ученые и инженеры вплотную занялись решением сложнейшей задачи воплощения идеи в реальность.

Главный архитектор проекта

В проекте, рассчитанном на долгие годы, в котором участвовало столько людей и стран и в котором было столько сложнейших подпроектов, несправедливо приписывать слишком большую роль одному человеку, преуменьшая тем самым вклад множества других участников. Тем не менее если кто-либо и должен быть персонально упомянут среди создателей БАКа, так это Лин Эванс.

Эванс производит впечатление скромного человека. Седой и импозантный, в общении вполне демократичен. Он родился в горняцкой семье из Уэльса. Его первой любовью была химия, причем особое удовольствие ему доставляло изготовление взрывчатки. И это, возможно, как раз то, с чего должен начинать человек, который в один прекрасный день начнет проектировать машину для столкновений частиц с самыми высокими энергиями из всех, когда-либо полученных людьми. В университете он переключился на физику, потому что «физика была интереснее и легче». Когда проект БАКа был одобрен, для управления его строительством ЦЕРНу понадобился человек с опытом, но при этом достаточно молодой и энергичный, чтобы довести дело до конца. Эвансу была поставлена сложнейшая задача: в условиях ограниченного бюджета построить машину заданного размера, добиться от нее максимально возможной научной отдачи, попутно решив массу самых сложных за всю историю экспериментальной науки технологических проблем. Именно Эванс придумал, как модифицировать первоначальные планы конструкции БАКа и привести их в соответствие с финансовыми реалиями.

В ходе реализации инженерного проекта такого масштаба всегда возникают непредвиденные препятствия. Благодаря LEP для БАКа уже имелся готовый туннель, но для четырех крупных детекторов, необходимых при исследовании столкновений, требовалось выкопать новые котлованы. Детектор CMS планировали установить на противоположной стороне кольца (если смотреть от основного здания ЦЕРНа), недалеко от французского города Сесси. И вот когда рабочие начали копать, они случайно натолкнулись на остатки римской виллы IV века! Там обнаружились ювелирные изделия и монеты, имевшие хождение на территориях, ставших позже Англией, Францией и Италией. Неоценимая для историков находка обернулась для физиков задержкой, грозящей нарушением всех графиков. Строительство было остановлено на шесть месяцев, во время которых археологи исследовали руины.

А потом выяснилось еще одно неприятное обстоятельство. Оказалось, что над котлованом, в котором должен помещаться детектор CMS, протекала подземная река. Просачивание воды было не столь сильным, чтобы помешать работе детектора, но оно мешало проведению земляных работ. Команда строителей нашла выход: в яму опустили трубы, по которым тек жидкий азот, замораживающий воду, и копать твердую землю стало намного легче, чем выкачивать жижу. Эванс говорил, что это «было просто здорово».

Эванс и все другие сотрудники ЦЕРНа, работавшие на строительстве БАКа, упорно продвигались к цели. Помимо технических проблем, мешали работе и правительства европейских стран, участвовавших в проекте, постоянно угрожавшие урезать их взносы в ЦЕРН. От руководителей проектов, связанных с физикой элементарных частиц, требуются не только познания в физике и технологиях, но и дипломатическая хитрость и политическое чутье. Важный импульс развитию проекта в 1997 году придало решение США инвестировать в БАК $2 млрд. Все официальные «государства-члены» ЦЕРНа – это европейские государства: Австрия, Бельгия, Болгария, Чехия, Дания, Финляндия, Франция, Германия, Греция, Венгрия, Италия, Нидерланды, Норвегия, Польша, Португалия, Словацкая Респуб лика, Испания, Швеция, Швейцария и Великобритания. Множество других стран подписало соглашения, позволяющие их ученым работать в ЦЕРНе. США (как и Индия, Япония, Россия и Турция) имеет статус государства-«наблюдателя», что подразумевает участие в физических экспериментах и заседаниях Совета ЦЕРНа, но официально такая страна не участвует в обсуждении стратегических планов лаборатории. США – безусловный тяжеловес, и принятые американцами на себя важные обязательства сыграли значительную роль в успехе БАКа. (Не менее важна роль Японии и России.) Более тысячи американских физиков вскоре приехали в ЦЕРН работать на БАКе.

Эванс по своему характеру не начальник, ему легче самому возиться с оборудованием, не боясь запачкать руки, чем требовать от подчиненных, чтобы они тщательно вели записи проходящих работ. Само строительство БАКа проводились в соответствии с планом, но постепенно накапливались небольшие перерасходы средств. Момент истины наступил в 2001 году, когда стало ясно: ускоритель приблизительно на 20 % дороже, чем предусматривалось первоначальным бюджетом. На открытом заседании совета ЦЕРНа генеральный директор Лучано Майани вопреки совету Эванса обнародовал величину перерасходованных средств и прямо заявил, что государства-члены должны оплатить дополнительные расходы.

Естественно, те не пришли в восторг от такой перспективы. Роберту Аймару, который стал следующим генеральным директором после Майани в 2004 году, Совет ЦЕРНа поручил присматривать за менеджментом уникальной машины. Некоторые члены Совета засомневались в том, что Эванс подходит для этой бюрократической роли, и посчитали, что тут нужен другой человек – более жесткий. Но Аймар понял, что уникальное знание Эвансом коллайдера намного важнее, чем мягкость его стиля руководства, и он был оставлен на посту директора проекта. Позже Эванс вспоминал: «Меня, признаться, тогда как следует поджарили. Тот год был самым худшим за весь период моей работы на БАКе».

После инцидента 19 сентября, произошедшего уже после запуска машины, Эванс сказал: «Авария стала последним звеном в цепи неудач, и это было тяжелым ударом. Однако, у меня бывали сложные моменты и в прошлом».

Ускорение частиц

В игре тетербол один конец веревки прикрепляется к мячу, а другой – к верхушке столба. Два игрока стоят по разные стороны столба, бьют по мячу, стараясь намотать веревку вокруг столба. А теперь представьте, что есть только один игрок и что веревка не закреплена неподвижно, а на ее конце петля, которая может свободно скользить вокруг столба. Тогда веревка уже не будет накручиваться на столб, и на каждом обороте игрок, ударяя по шару, будет подталкивать мяч все время в одном и том же направлении и разгонять его до все более высоких скоростей.

В сущности, в этом и состоит основная идея ускорителей частиц. Роль мяча играют пучки протонов, а роль веревки, которая удерживает мяч на круговой траектории, – сильные магнитные поля, заставляющие протоны двигаться по искривленным траекториям в кольце. А вот роль игрока, ударяющего по мячу, играют электрические поля – они подталкивают протоны, чтобы на каждом обороте их скорость увеличивалась.

Протоны чрезвычайно малы по сравнению с предметами, с которыми мы имеем дело в повседневной жизни, – их размер около одной десятитриллионной сантиметра в поперечнике. Вы не можете просто взять один из них в руку и бросить или ударить по нему, когда он пролетает мимо. Для ускорения протонов в БАКе электрический генератор создает во время прохождения частиц электрическое поле, меняющее свое направление с частотой около 400 миллионов раз в секунду. Коммутации очень точно синхронизованы по времени, так что каждый протон при движении в туннеле всегда чувствует электрическое поле, направленное в одном и том же направлении, в результате он быстро набирает большую скорость. Это ускорение создается только в одной точке в кольце, а большая часть усилий на всей длине 27-километрового кольца тратится не на ускорение протонов, а на то, чтобы они сохраняли направление своего движения по круговой траектории внутри кольца.

Когда БАК будет работать в полную силу, там будет в общей сложности около 500 триллионов протонов в двух пучках, в одном из которых протоны движутся по кольцу по часовой стрелке, а в другом – против часовой стрелки. (Цифра приблизительная, поскольку характеристики машины со временем улучшаются.) Это большое количество протонов, но оно очень мало по сравнению с их количеством, содержащимся в любом обычном предмете. Все протоны в БАКе находятся в одной невзрачной канистре с водородом, для всех посторонних она выглядит как огнетушитель. Из этой канистры извлекают небольшое количество молекулярного водорода, который подвергают удару электрическим током, в результате чего электроны обдираются, а протоны отправляются в путь (молекула водорода состоит из двух атомов, каждый из которых содержит один протон и один электрон). Лин Эванс, обучавшийся в юности взрывным наукам, а не физике элементарных частиц, начал свою карьеру в ЦЕРНе, занимаясь именно этой проблемой. В канистре содержится около 10²⁷ атомов водорода, и протонов в них хватит примерно на миллиард лет работы БАКа. Протоны – не дефицитный ресурс.

Протоны загружают в БАК не непрерывно, а порциями – «загрузками», причем вся загрузка отправляется в работу сразу и гоняется там примерно десять часов (или до тех пор, пока пучок по какой-то причине не деградирует). Сначала протоны пропускают с максимальной осторожностью через серию предварительных ускорителей, а оттуда они, наконец, попадают в главное кольцо. И здесь малейшая небрежность недопустима. Протоны в двух циркулирующих пучках распространяются не равномерно – они группируются в тысячи «банчей» (порций или сгустков) в каждом пучке, причем в одном таком банче находится около 100 миллиардов протонов. Сгустки имеют длину 2–3 см, летят на расстоянии примерно 7 метров друг от друга и фокусируются в очень тонкую иглу. Пучок при движении протонов по кольцу имеет диаметр, примерно равный одному миллиметру, – такой же как грифель карандаша – и при входе банча в детектор перед столкновением дополнительно фокусируется, и его диаметр сужается до нескольких тысячных сантиметра. Протоны все имеют одинаковый положительный электрический заряд, поэтому, естественно, стремятся растолкать друг друга, и главной проблемой становится удержание такого тонкого пучка в нужных параметрах.

Кроме энергии сталкивающихся частиц у ускорителя есть еще одна важная характеристика – «светимость», она определяется числом частиц, участвующих в процессе. Вы можете подумать, что считается число всех частиц, летящих по кольцу, но в реальности имеет значение только число столкновений, а большое количество частиц приводит к большому количеству столкновений, лишь если пучок очень сильно сфокусирован. В течение 2010 года главным для создателей БАКа было испытание всех частей машины, ведь требовалось убедиться, что все они находятся в рабочем состоянии, поэтому светимость тогда была не очень высокой. К 2011 году все узлы в значительной степени были проверены, и число столкновений увеличилось примерно в 100 раз по сравнению с предыдущим годом. В 2012 году успешная работа продолжилась, и в течение первой половины года физики арегистрировали больше столкновений, чем за весь 2011 год. Это огромное количество полученных данных и позволило обнаружить бозон Хиггса раньше, чем ожидалось.

Скорость и энергия

У протонов в БАКе большая энергия, потому что они быстро мчатся – со скоростями, очень близкими к скорости света. Каждый массивный объект, человек ли это, автомобиль или протон, обладает некоторым количеством энергии даже когда он неподвижен, и, согласно формуле Эйнштейна, эта энергия покоя есть E = mc. Но когда объект движется, он приобретает дополнительную – «кинетическую» – энергию, величина которой зависит от величины его скорости. В повседневной жизни энергия движения на много порядков меньше энергии, которую объект имеет в состоянии покоя только потому, что обычные скорости гораздо меньше скорости света. Самый быстрый в мире самолет – экспериментальный самолет НАСА, называемый X-43, – в состоянии ускориться до скорости 11230 км/ч. Но и при этой скорости энергия движения самолета добавляет лишь одну десятимиллиардную к его энергии покоя.

Протоны в БАКе летят намного быстрее, чем X-43. В ходе первых экспериментов 2009–2011 годов они разгонялись до скоростей, равных 99,999996 % скорости света, или примерно 1 079 022 114 км/ч. На этих скоростях энергия движения гораздо бльше энергии покоя. У протона энергия покоя чуть меньше 1 ГэВ. При первом запуске Большого адронного коллайдера были получены протоны с энергией 3500 ГэВ, или коротко 3,5 ТэВ, так что, когда два из них сталкивались, общая их энергия в момент столкновения достигала 7 ТэВ. В 2012 году при столкновении протонов была получена общая энергия 8 ТэВ. Цель же физиков – достичь 14 ТэВ. Для сравнения в Теватроне, работавшем в Фермилабе, максимальная полная энергия достигала примерно 2 ТэВ.

При скоростях, близких к скорости света, вступает в игру теория относительности. Она учит нас, что на высоких скоростях пространство и время для движущихся предметов меняются: время замедляется, а длина – вдоль направления движения – уменьшается. Как следствие, путь по кольцу длиной 26,7 км любому высокоэнергетичному протону покажется гораздо короче, если, конечно, протоны в состоянии замечать такие вещи. Для протона с энергией 4 ТэВ один виток кольца будет равным всего лишь примерно 7 м. Когда же его энергия достигнет 7 ТэВ, этот путь уменьшится до 4 м.

Что такое энергия 1 ТэВ? Не то, чтобы много – примерно такая энергия движения у летящего комара – вы и не заметите, если он столкнется с вами. Важно не то, что 4 ТэВ (или любая сравнимая с ней энергия) – большая, а то, что вся эта энергия сосредоточена в одном протоне. И помните, что в БАКе одновременно крутится 500 триллионов протонов. Если взять пучок в целом, можно уже говорить о серьезных энергиях – примерно таких же, как у мчащегося на вас локомотива. Вряд ли вам захотелось бы оказаться у него на пути.

Или все не так страшно? Хотя протоны в БАКе и собираются в большие банчи, они фокусируются в очень тонкий луч. Может, большая часть протонов пройдет сквозь вас, не причиняя вреда?

И да, и нет. Никто в БАКе никогда не ставил на пути пучка какие-нибудь части своего тела, да это и невозможно – пучки плотно закупорены в вакуумной трубе и просто так человек оказаться там не может. Но в 1978 году один несчастный советский ученый по имени Анатолий Бугорский все же умудрился подставить голову прямо под пучок высокой энергии. (Стандарты безопасности в России на протвинском синхротроне У-70 были гораздо менее строгими, чем те, что установлены сейчас в ЦЕРНе.) Энергия пучка, который пронзил Бугорского, была равна всего 76 ГэВ – существенно меньше, чем в БАКе, но тем не менее это большая энергия. Он не погиб на месте – более того, он и сегодня все еще жив. Бугорский позже рассказал, что видел вспышку света, «ярче тысячи солнц», но не почувствовал боли. У него возник радиационный рубец, он потерял слух на левое ухо, левая сторона лица вообще была парализована, и до сих пор он страдает от периодических приступов боли. Но Бугорский выжил, у него не возникло психических нарушений, он защитил кандидатскую диссертацию и в течение многих лет после инцидента продолжал работать на ускорителе. Тем не менее эксперты не рекомендуют подставляться под пучки протонов высокой энергии.

Причина, по которой голову Бугорского не разорвало на мелкие кусочки, в том, что многие протоны прошли сквозь ткани его головы, не провзаимодействовав с ними. А в БАКе часто встает задача обратная задача – «загасить» энергию пучков, а это значит, что нужно всю энергию пучка куда-то отвести. (Если бы просто замедлить протоны, они бы безопасно рассеялись, но это технически сложно.) Представить масштаб полной энергии пучка можно еще одним способом – найти тротиловый эквивалент. Эта величина оказывается равной примерно 80 кг в тротиловом эквиваленте, и всю эту энергию в конце каждой загрузки, то есть примерно каждые десять часов, нужно как-то гасить.

Эксперименты показали, что если пучок протонов в БАКе направить на медную болванку, его энергии будет достаточно, чтобы расплавить тонну меди. Поскольку нежелательно, чтобы эти мчащиеся пучки, случайно отклонившись, врезались в тщательно отъюстированную экспериментальную установку, предварительно ослабленный пучок отклоняют от нормальной траектории пучка специальными магнитами, затем идет расфокусировка, после чего он проходит еще около километра перед тем, как врезаться в специальной графитовый «блок сброса». Графит особенно хорошо поглощает энергию, не плавится, несмотря на то что температуры там достигают 760 °С. В таком блоке содержится в общей сложности около 10 т графита, а сам он помещен в экранирующий 1000-тонный кожух из стали и бетона. Ему требуется всего несколько часов, чтобы остыть, и вот уже все готово для гашения следующего пучка.

Мощные магниты

Мы представляем себе БАК в виде гигантского кольца длиной 26,7 км, но на самом деле он больше похож на искривленный восьмиугольник, поскольку кольцо разделено на восемь частей – восемь дуг, а концы этих дуг соединены прямыми отрезками около 2,5 км длиной. Если бы вам пришлось войти в одну из дуг туннеля БАКа, вы увидели бы ряд больших голубых труб, тянущихся в обоих направлениях. Это «дипольные магниты», которые направляют протоны по траекториям внутри пучковых труб. В каждой дуге имеется 154 трубы, и каждая из них имеет длину около 15 м и вес более 30 т. Большая часть внутреннего пространства каждой трубы занята сверхпроводящим магнитом, охлаждаемым жидким гелием, а по самому центру идут две узкие пучковые трубы, в которых движутся пучки протонов – в одной частицы движутся по часовой стрелке, в другой – против.

Если какая-либо заряженная частица, например протон, покоится в стационарном магнитном поле, она не чувствует вообще никакой силы и может там спокойно оставаться бесконечно. Но если заряженная частица летит через магнитное поле, она отклоняется от прямой линии. (Если через поле пролетит нейтральная частица, ее траектория не изменится.) Вспомним, что энергия пучка в БАКе сравнима с энергией движущегося поезда, а потому БАКу нужны невероятно мощные магниты, ведь сильно искривить траекторию протонов не так-то легко.

Мощность магнитов должна быть достаточной, чтобы обеспечить максимально возможную энергию протонов в туннеле фиксированного размера. Земля тоже имеет магнитное поле, которое позволяет с помощью стрелки компаса установить, где север, а где юг. Поле внутри каждого из дипольных магнитов БАКа примерно в 100 000 раз сильнее поля Земли, и обычные материалы для его изготовления не подходят, нужны сверхпроводники. В магнитах БАКа используется почти 8000 километров кабелей, изготовленных из сверхпроводящих материалов на базе ниобия и титана, охлаждаемых до сверхнизких температур 120 т жидкого гелия. Внутри БАКа холоднее, чем в космосе: температура магнитов ниже, чем у космического фонового излучения, сохранившегося после Большого взрыва.

Температура – не единственный критерий, по которому БАК переплюнул космическое пространство: в пучковых трубах поддерживается очень высокий вакуум – настолько высокий, что давление внутри трубы примерно такое же, как атмосферное давление на Луне. Если бы внутри труб был воздух, протоны постоянно натыкались бы на его молекулы и пучок бы рассыпался.

Перед тем как машину запустили в первый раз, команда БАКа очень волновалась, достаточно ли тщательно откачана пучковая труба. Когда в 1983 году в Фермилабе заработал Теватрон, первые попытки раскрутить протоны быстро закончились неудачей. Виновника довольно быстро нашли – им оказался случайно застрявший в трубе маленький кусочек ткани. Но легко ли обследовать трубу ускорителя длиной 27 км при том, что сами пучковые трубы имеют в поперечнике только около 2,5 см? И тут у техников возникла гениальная идея: они сделали шарик из ударопрочного поликарбоната, похожий на мячик для пинг-понга, внутрь засунули радиопередатчик и покатили по трубе. Если бы шарик остановился, техники смогли бы отследить по сигналу передатчика, где это произошло. То была отличная идея, и кое-кто, вероятно, почувствовал разочарование, когда шарик выкатился, не встретив ни единого препятствия. Трубе была выдана справка об абсолютном здоровье.

Магниты в БАКе – самые крупные и громоздкие части машины, они олицетворяют мощь технологических инноваций и эффективность международного сотрудничества. Такой уровень точности, какой необходимо обеспечить для столкновения пучков, не обходится дешево. Трудно установить точную стоимость БАКа, поскольку часть денег расходуется на содержание лаборатории в целом, но цифра 9 млрд долларов – хорошая оценка для общего бюджета. По словам физика Джан Джудайса, «если пересчитать в евро за килограмм, то килограмм дипольных магнитов на БАКе – самого дорогого элемента ускорителя – стоит примерно столько же, сколько килограмм швейцарского шоколада. Будь БАК построен из шоколада, он бы стоил примерно столько же».

Шоколад может не восприниматься как слишком дорогой продукт, ведь мы время от времени его покупаем и едим. Но обычно все-таки меньшими порциями, чем двадцатисемикилометровая шоколадка, сделанная из самого лучшего шоколада. Посчитайте, сколько бы она стоила!

Передача факела

Лин Эванс официально ушел из ЦЕРНа в 2010 году, уже когда машина была успешно запущена после аварии и заработала. А поступил на работу в ЦЕРН в 1969 году, отдав ему сорок лет жизни и пережив десять генеральных директоров. Еще совсем недавно, в 1981 году, он, Карло Руббиа и Серджо Читтолин (итальянский физик со своеобразным хобби – украшать лабораторные журналы эскизами в стиле Леонардо да Винчи) втроем в 4 часа 15 минут утра, находясь в пустой в диспетчерской, включили модернизированный Суперпротонный синхротрон и наблюдали первые протон-антипротонные столкновения частиц внутри ускорителя.

Ничего похожего на то, что происходило 10 сентября 2008 года, когда торжественное открытие БАКа стало международным событием, непосредственными свидетелями которого стали сотни людей, и еще тысячи наблюдали за ним благодаря Интернету по всему миру. В тот день в диспетчерской БАКа, заполненной представителями средств массовой информации, известными учеными и высокопоставленными гостями, Эванс выступал в качестве дирижера. Чтобы заставить аудиторию поволноваться, инженеры не сразу запустили протоны по всему кольцу, а стали открывать восемь секторов один за другим. После того как первые семь секторов успешно прошли испытание, Эванс начал обратный отсчет, а в это время протоны готовили к пролету полного оборота по кольцу. В назначенное время на сером экране компьютера вспыхнули две точки – это означало, что пучок успешно стартовал и успешно вернулся в ту же самую точку. Комната взорвалась аплодисментами, и в физике элементарных частиц наступили новые времена.

Физики редко уходят на пенсию в обычном смысле слова, вот и Эванс после выхода на пенсию участвует в эксперименте CMS и помогает проектировать следующее поколение ускорителей. После того как было объявлено об открытии бозона Хиггса, Эванс, размышляя о том, что все-таки произошло, сказал: «Недавно я оказался на вечере, организованном коллаборацией CMS. Там собралось около 500 человек. Увидев всех этих молодых людей, я вдруг понял, какой груз ответственности лежал на моих плечах. Я имею в виду то, сколько людей рассчитывает, что эта машина будет работать!»

Теперь в ЦЕРНе надеются, что она будет продолжать функционировать в течение будущих десятилетий. Чтобы оправиться от аварии сентября 2008 года, потребовалось больше года, но с тех пор БАК работает просто великолепно. В 2010 и 2011 годах эксперименты велись при полной энергии 7 ТэВ, в 2012 году – при 8 ТэВ, что позволило обнаружить бозон Хиггса или нечто очень похожее на него. По-прежнему конечная цель – достичь 14 ТэВ, но чтобы добиться этого, потребуется отключить БАК на два года для тестирования и модернизации оборудования. Отключение изначально планировалось начать в конце 2012 года, но после открытия бозона Хиггса Совет ЦЕРНа решил продлить работу ускорителя на 8 ТэВ еще на несколько месяцев. Это так понятно – всякий раз, получая новую игрушку, вы хотите с ней поиграть прямо сейчас, сразу и без промедлений!

Мы узнаем, как обнаружить новые частицы, сталкивая уже известные частицы на огромных скоростях и наблюдая за тем, что происходит.

В детстве я увлекался разными науками, но только две вещи действительно захватили меня: физика и динозавры. (В свои двенадцать лет я не знал слова «палеонтология».) Время от времени у меня случался флирт с другими науками, но отношения никогда не заходили слишком далеко. Например, я с удовольствием развлекался с подаренным мне детским химическим набором, но в основном поджигал реактивы и никогда не испытывал особенного счастья от получения новых соединений в строго контролируемых условиях.

Другое дело динозавры! Это был настоящий роман. Мой дед брал нас с братом в музей штата Нью-Джерси, расположенный в Трентоне, где мы быстро проскальзывали мимо скучных артефактов и исторических выставок, но замирали перед зловеще нависающими огромными скелетами. Я никогда всерьез не связывал свое будущее с палеонтологией, но каждый ученый из тех, что я знаю, в душе согласен, что динозавры – это по-настоящему круто.

Вот почему я был взволнован, когда меня, уже вполне взрослого, преподавателя Университета Чикаго, пригласили поучаствовать в экспедиции по поискам динозавров. Большинство палеонтологических экспедиций прекрасно могут обойтись без физиков, но эта экспедиция была организована под эгидой некоммерческого Исследовательского проекта, предназначенного для того, чтобы увлечь наукой детей и представителей национальных меньшинств. То было специальное мероприятие для друзей организации, и меня пригласили для участия в различного вида научно-просветительских мероприятиях, связанных с экспедицией. Признаться, мне было совершенно неважно, чем там заниматься – хоть мыть посуду, я был согласен на все, лишь бы мне разрешили раскапывать кости динозавров, ведь это была мечта моего детства.

И мы нашли их – в районе геологической формации Моррисон, недалеко от городка Шелл (штат Вайоминг) с населением около 50 человек. Земля Моррисона набита окаменелостями юрского периода, и мы коротали теплые деньки, бодро выкапывая образцы камаразавра, трицератопса и стегозавра. Слово «выкапывать» может дать преувеличенное представление о достижениях нашей – в основном любительской – команды. По большому счету мы лишь нашли место, где имело смысл копать, и оставили его для другой экспедиции, которая должна была довести дело до конца.

Это был полезный опыт – я многому научился, и прежде всего понял, что заниматься теоретической физикой гораздо легче, чем палеонтологией. А еще я нашел ответ на вопрос, который не давал мне покоя в течение многих лет: чем отличается кусок окаменевшей кости от окружающей его горной породой? В течение миллионов лет эта кость всасывала минералы из окружающей скальной породы, пока в конце концов не превратилась почти в настоящий камень. Так как отличить одно от другого?

Ответ: с помощью очень тщательного анализа. У экспертов-палеонтологов есть, конечно, приемы, отточенные за годы их работы и позволяющие увидеть тонкие градации цвета и текстуры тканей, которые ускользают от внимания непосвященных. Приведите группу любителей к месту залегания ископаемых остатков динозавра, и, несомненно, самый частый вопрос, который вы услышите, будет: «А этот кусок – кость?». На него всегда есть однозначный правильный ответ, и эксперты почти всегда могут его найти.

В то время как работа по поиску костей динозавров очень далека от повседневной жизни физиков-теоретиков, сходство с экспериментальной физикой элементарных частиц очевидно. Мы говорим кратко: на Большом адронном коллайдере мы «увидели бозон Хиггса», но в реальности все не так просто. Мы никогда не видели бозонов Хиггса, и вероятность его увидеть не больше, чем вероятность встретиться с динозавром на улице. Век бозонов Хиггса очень недолог – едва ли хоть один из них переживет одну десятимиллиардную одной триллионной доли секунды. Это слишком мало, чтобы успеть поймать его даже с помощью такого технологического чуда, как все детекторы БАКа. (Время жизни прелестного кварка – одна триллионная секунды, и это предельное время жизни, за которое еще частицу можно успеть засечь, а время жизни бозона Хиггса равно одной десятимиллиардной этого значения.)

Вот почему мы надеемся найти лишь свидетельства того, что бозон Хиггса существовал, – в виде появления других частиц, возникающих при его распаде. Если продолжить аналогию с динозаврами, мы ищем окаменелости.

В предыдущей главе мы говорили об ускорителе БАК, который гоняет сотни миллиардов протонов по круговым траекториям в тоннеле, расположенном в пригороде Женевы. В этой главе мы поговорим о массивных детекторах, установленных в определенных помещениях по всему кольцу, где в сериях частых взаимодействий протоны приводятся в столкновение. В полученных данных, касающихся какого-то отдельного события, мы могли бы, например, обнаружить две струи сильно взаимодействующих частиц или высокоэнергетичную мюон-антимюонную пару. Вопрос: все это возникло при распаде бозона Хиггса или от чего-то еще? Методика правильной идентификации этих «окаменелостей» представляет собой сочетание научных методов, технических приемов и черной магии. Они и лежат в основе охоты на бозон Хиггса.

Идентификация частиц

Физика элементарных частиц подобна работе следователей. Прибывшие на место преступления детективы редко находят там видеозапись с кадрами, на которых запечатлен преступник в момент убийства, нечасто их ждут и непротиворечивые показания очевидцев или подписанные преступником признания. Скорее всего, есть несколько разрозненных улик: там – фрагменты отпечатков пальцев, здесь крошечный образчик ДНК. Самая сложная часть работы – сложить эти фрагменты вместе и восстановить полную картину преступления.

Аналогично, когда физик-экспериментатор, работающий с элементарными частицами, анализирует результаты, полученные на коллайдере, он и не надеется увидеть приколотый к частице значок, на котором написано: «Я – бозон Хиггса!». Мы уже говорили, что бозон Хиггса быстро распадается на другие частицы, поэтому у нас должно быть четкое представление о том, какими эти частицы должны быть, а это – задача для теоретиков. А экспериментаторы сталкивают протоны друг с другом и смотрят, что получается. Большая часть внутренности детектора частиц заполнена материалом, проходя через который частицы оставляют следы. Конечно, не все частицы так делают: например, нейтрино не чувствуют ни электромагнитное, ни сильное взаимодействие, поэтому они не оставляют никаких следов, и нам приходится напрячь умственные способности, чтобы их обнаружить.

К сожалению, и треки частиц, которые мы все-таки наблюдаем, тоже не снабжены табличками с надписями: «Я мюон, и лечу со скоростью, равной 0,958 от скорости света!». Мы сами должны определить, что за частицы возникли в результате столкновений и что это означает для процессов, благодаря которым стало возможным рождение этих частиц. Мы должны знать, был ли этот мюон произведен в результате распада хиггсового бозона, Z-бозона, или каких-либо еще подозреваемых. И при этом сами частицы совершенно не горят желанием сделать чистосердечное признание.

Хорошей новостью является то, что общее число частиц в Стандартной модели относительно невелико, так что у нас набирается не слишком много подозреваемых, которых придется проверять. В этом смысле мы больше похожи на шерифа из Мэйберри[4], чем на детектива с Манхэттена. У нас есть шесть кварков, шесть лептонов и несколько бозонов: фотоны, глюоны, W– и Z-бозоны, и, наконец, сам бозон Хиггса. (Гравитоны по существу никто никогда не видел, потому что гравитация – очень слабое взаимодействие.) Определив массу и заряд частицы, а также то, чувствует ли она сильное взаимодействие, мы почти наверняка однозначно идентифицируем ее. И задача экспериментатора – отследить как можно точнее треки частиц, образующихся при столкновении, а также определить их массы, заряды и взаимодействие с другими частицами. Это позволит нам воспроизвести основной процесс, который вызвал всю эту неразбериху.

Определить, ощущает частица сильные взаимодействия или нет, довольно легко, поскольку по счастливому стечению обстоятельств эти взаимодействия являются по-настоящему сильными. Кварки и глюоны оставляют совершенно не такие следы в детекторе, как лептоны и фотоны. Они быстро группируются и запирают себя в различные виды адронов – либо в комбинации из трех кварков, так называемые «барионы», либо в пары из одного кварка и одного антикварка – «мезоны». Эти адроны лихо врезаются в атомные ядра, поэтому их легко отличить. На самом деле, когда вы производите один кварк или глюон с высокой энергией, сильные взаимодействия, как правило, приводят к тому, что они превращаются в целый букет адронов, называемый «струей» или «джетом». Соответственно, очень легко увидеть, что был получен кварк или глюон, но выяснить его точные свойства немного сложнее.

Зато с помощью волшебных магнитных полей довольно легко выяснить, какой у частицы электрический заряд. Детекторы БАКа, как и его туннель, заполнены разными магнитными полями, которые направляют частицы в разных направлениях. Если движущаяся частица отклоняется в одном направлении, она имеет положительный заряд, если в другом – ее заряд отрицательный, ну, а если частица движется по прямой, значит, она нейтральна.

Детекторы бака

Когда Карл Андерсон в 1930-х годах открыл позитрон, он сделал это с помощью облачной камеры, имевшей около 1,5 м в поперечнике и весившей 2 т. Детекторы БАКа немного больше. Два крупнейших детектора – мастодонты, предназначенные для поисков бозона Хиггса, – называются ATLAS (аббревиатура слов A Toroidal LHC Apparatus – Тороидальный детектор БАКа) и CMS (Compact Muon Solenoid – Компактный мюонный соленоид). Они расположены на противоположных сторонах кольца, причем ATLAS – недалеко от основного здания ЦЕРНа, а CMS – за границей, во Франции. Слово «компактный» применимо к детектору CMS, конечно, условно – его длина около 22 м, а вес – около 13 800 т. ATLAS больше по размеру, но легче – в длину примерно 43 м, а вес – всего 7700 т. Это своего рода масштаб, показывающий, как глубоко нужно «копать», чтобы «выкопать» скрывающийся от нас бозон Хиггса.

На БАКе имеется еще пять других детекторов («экспериментов»): два из них имеют средний размер – ALICE и LHCb, и три маленьких – TOTEM, LHCf и MoEDAL. LHCb специализируется на изучении распадов прелестных кварков, которые используются для точных измерений. Детектор ALICE (A Large Ion Collider Experiment) сконструирован для изучения столкновений тяжелых ядер, а не протонов, чтобы воспроизвести процесс образования кварк-глюонной плазмы, заполнившей Вселенную сразу после Большого взрыва. Вот почему церновский ускоритель – Большой «адронный» коллайдер, а не Большой «протонный» коллайдер – один месяц в году БАК ускоряет и сталкивается ионы свинца вместо протонов. ТОТЕМ (TOTal Elastic and diffractive cross-section Measurement), расположенный недалеко от CMS, изучает внутреннее строение протонов и будет проводить точные измерения вероятности их взаимодействий друг с другом. Детектор LHCf («f» означает «forward» – «вперед»: имеется в виду рассеяние вперед нейтральных частиц) сконструирован для того, чтобы с помощью выбросов частиц при столкновениях изучать условия, в которых космические лучи распространяются через атмосферу. Он гораздо меньше по размеру, чем другие детекторы, и состоит из двух калориметров, расположенных по обе стороны ATLASа. Детектор MoEDAL (Monopole and Exotics Detector At the LHC) специализируется на поиске очень необычных частиц.

Именно два самых больших детектора, ATLAS и CMS, играют ведущую роль в охоте на бозон Хиггса. В отличие от небольших детекторов, которые предназначены для весьма конкретных целей, эти два детектора сделаны для того, чтобы сталкивать протоны друг с другом, смотреть на то, что получается в результате, и стараться как можно точнее определить, что происходит при столкновениях. Конструкторы двух детекторов по-разному подошли к проблемам дизайна, но возможности установок в конечном итоге оказались сопоставимыми. Само собой разумеется, иметь два детектора несоизмеримо полезнее, чем один, – открытие, сделанное на одном из детекторов, не будут принято всерьез, пока другой не подтвердит его.

Трудно ощутить необъятность CMS или ATLAS, не увидев их воочию, и в этом я смог убедиться, посетив их еще в стадии строительства. Человек настолько мал по сравнению с этими машинами, что на фотографиях его не замечаешь, пока кто-то специально не укажет. Но поражают не только размеры детектора, но и сложность их устройства. Каждый элемент важен, причем, учитывая международный характер коллабораций, вполне вероятно, что два соседних элемента изготовлены в лабораториях, расположенных в противоположных концах земного шара.

Детектор CMS расположен достаточно далеко от ЦЕРНа – нужно ехать на машине, и довольно долго, но в свое время геологоразведка показала, что рядом с ЦЕРНом есть только одно место для детектора, и в нем установили более громоздкий детектор ATLAS. CMS – чрезвычайно плотная и компактная конструкция из металла, кристаллов и проволоки. Размер основных магнитов CMS – самых мощных из всех когда-либо сконструированных магнитов такого типа – пришлось ограничить 7 м в поперечнике по очень прозаической причине: конструкции большего размера не поместились бы на грузовик, который мог проехать по улицам Сесси – крошечного французского городка, рядом с которым расположился детектор. (На странице Википедии, посвященной Сесси, явно написанной физиками, работающими на CMS, содержится совет пообедать в местной пиццерии, и предупреждение, что «обслуживание может затянуться, так что туда не стоит идти, если вы торопитесь».) Вообще финансовые ограничители, наряду с логистическими, сыграли решающую роль в проектировании и строительстве: например, латунь на гигантские цилиндрические торцевые крышки, закрывающие оба торца детектора, была получена из отходов от утилизации российских артиллерийских снарядов[5]. Важной частью детектора являются 78 000 сцинцилляторов – кристаллов вольфрамата свинца, которые выращивали в России и Китае целых десять лет, поскольку каждый искусственный кристалл растет около двух дней.

Однако чаще всего на рекламных фотографиях БАКа изображен не CMS, а ATLAS, и по простой причине: он очень фотогеничен и выглядит как инопланетный корабль. Отличительной особенностью детектора являются восемь гигантских тороидальных магнитов, которые и дали свое имя детектору. Вы могли бы не признать в магните ATLASа классический «тор», похожий на бублик. Магниты детектора – это конструкция из труб, имеющая скорее прямоугольную форму со скругленными углами. Но физики учатся у математиков-топологов, для которых важны общие закономерности, а не конкретные формы, и для них тором является любой изогнутый цилиндр, у которого торцы совпадают. В ATLASе тороиды создают гигантскую область, в которой магнитное поле огромно, используемую для отслеживания высокоэнергетичных мюонов, созданных во внутренних областях детектора. Когда магниты включены, общий запас энергии в них составляет более одного миллиарда джоулей – эквивалент примерно 150 кг тротила. К счастью, это не опасно – взрыв с высвобождением этой огромной энергии невозможен, поскольку нет способа ее высвободить. (Энергия не представляет опасности, если нет способа ее сбрасывания. Например, энергия покоя яблока эквивалентна примерно миллиону тонн тротила, но это не очень опасно до тех пор, пока вы не приведете в соприкосновение ваше яблоко и антияблоко.)

Огромный геометрический размер детекторов ATLAS и CMS вполне соответствует численности коллабораций, которые построили их и работают там. Это примерно две одинаковые группы, примерно 3000 ученых в каждой, представляющих более 170 учреждений из 38 стран. Вся группа никогда не собирается в одном месте в одно и то же время, но различные подгруппы находятся в постоянном контакте, непрерывно обмениваясь письмами и устраивая видеоконференции.

Если есть две большие коллаборации, ведущие очень похожие эксперименты по изучению одних и тех же явлений, значит ли это, что они конкурируют друг с другом? И вы еще спрашиваете? Разумеется, между командами двух детекторов идет постоянное соревнование за приоритет в открытии, и ставки тут очень высоки. И поскольку сами команды очень большие, существует конкуренция и внутри команды каждого детектора, так как физики – члены команды – борются за командные места, а также пытаются доказать превосходство своих способов анализа данных над другими.

Но система работает. Эта гонка может привести у некоторых ученых к расшатыванию нервной системы и потере сна, но дружеское соперничество, существующее между группами и внутри них, помогает получать первоклассные научные результаты. Каждый хочет быть первым, но никто не хочет ошибиться, и в условиях такой конкуренции если кто-то проявит небрежность или нечестность, его быстро выведут на чистую воду. Профессиональная квалификация хорошо подобранных коллабораций CMS и ATLAS – одна из главных причин того, почему мы можем доверять любым результатам, которые подтверждают обе команды. В том числе, и в особенности – открытию бозона Хиггса.

Сталкиваем протоны

Задача этих гигантских детекторов – выяснить, что происходит, когда сталкиваются два протона с огромными энергиями. Протон – не бесконечно малая частица и не нерасчленимая капля материи. Он состоит из множества сильно взаимодействующих элементов. Мы часто говорим: «Протон состоит из трех кварков», но это не совсем точно. Два верхних кварка и один нижний, которые делают протон протоном, называются «валентными кварками». В дополнение к этим валентным кваркам, как предсказывает квантовая механика, в протоне есть большое количество «виртуальных частиц», которые постоянно то появляются, то исчезают – это глюоны, а также пары кварк-антикварк. Именно энергия, содержащаяся в этих виртуальных частицах, объясняет, почему протоны намного тяжелее, чем валентные кварки, определяющие их идентичность. Трудно точно сосчитать, сколько виртуальных частиц там находится, так как количество зависит от того, насколько подробно мы их рассматриваем. (Так утверждает квантовая механика.) Но число валентных кварков остается фиксированным. Если посчитать общее количество верхних кварков внутри протона в любой момент времени, оно всегда будет ровно на два больше, чем количество верхних антикварков, аналогично число нижних кварков всегда на единицу больше количества нижних антикварков.

По существу, протон в БАКе – это мягкий мешочек, набитый кварками, антикварками и глюонами, движущийся по кругу в пучковой трубе со скоростью, близкой к скорости света. Ричард Фейнман назвал все частицы, составляющие протоны, «партонами». Согласно теории относительности, объекты, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света, укорачиваются в направления движения. Таким образом два протона, сталкивающиеся внутри детектора, напоминают плоские блины, нашпигованные партонами и налетающие друг на друга. На самом деле, когда один протон взаимодействует с другим, это означает лишь, что один из партонов одного протона взаимодействует с партоном другого протона. В результате трудно точно узнать, сколько энергии выделилось в столкновении, поскольку мы не знаем, какие партоны провзаимодействовали.

Изображение двух протонов, подлетающих друг к другу в эксперименте на БАКе. Обычно они имеют сферическую форму, но, поскольку протоны летят со скоростью, близкой к скорости света, из-за релятивистских эффектов они превращаются в блины. Внутри протонов находятся партоны, включающие кварки (черные кружки), антикварки (пустые кружки) и глюоны (закорючки). Кварков на три больше, чем антикварков, – это «валентные кварки». Все остальные партоны – виртуальные частицы.

Условия внутри детектора ВАКа могут стать довольно напряженными. Есть около 1400 банчей протонов в каждом пучке, и банч, перемещающийся в одном направлении, проходит внутри детектора мимо банча, движущегося в другом направлении около 20 миллионов раз в секунду. В каждом сгустке около 100 миллиардов протонов, так что есть очень много частиц, готовых к взаимодействию. Тем не менее, даже несмотря на то, что банчи имеют довольно маленькие размеры (около 2,5 тысячных сантиметра в поперечнике), они по-прежнему огромны по сравнению с размером протона. Основной объем банча – это пустое пространство. Каждый раз, когда пучки скрещиваются, между миллиардами протонов происходит всего лишь пара десятков взаимодействий.

Но пара десятков взаимодействий – это уже много. При одном столкновении двух протонов часто испускается поток всевозможных частиц, до 100 адронов в одном событии. Поэтому мы можем столкнуться с опасностью «наложения» – когда много событий внутри детектора происходят одновременно, и трудно понять, что произошло и где. Вот почему CMS и ATLAS должны максимально задействовать существующие в настоящее время технологические и вычислительные мощности. Чем больше столкновений, тем лучше, потому что это означает больше данных, но с другой стороны, если получить слишком много столкновений одновременно, невозможно понять, что произошло.

Частицы в детекторах

Конструкция детектора частиц определяется природой самих частиц. А какие частицы могут образоваться при столкновении? Только частицы Стандартной модели, которые мы уже знаем и любим, а именно: шесть кварков, шесть лептонов и различные бозоны – переносчики взаимодействий. (Мы надеемся получить и совершенно новые частицы, но они почти наверняка будут распадаться на частицы Стандартной модели.) Так что для того, чтобы объяснить логику конструирования детекторов, мы должны рассмотреть возможности образования различных частиц, понять, каким способом их можно обнаружить и правильно идентифицировать. Давайте пройдемся по списку.

Кварки

Кварки рассмотрим все вместе, поскольку они никогда не встречаются поодиночке – они заперты внутри адронов. Но в столкновении может образоваться пара кварк-антикварк, и две частицы быстро разбегутся в противоположных направлениях. В этом случае происходит следующее: включается сильное взаимодействие, и вокруг исходных частиц сгруппируются осколки адронов. В детекторе этот процесс будет соответствовать появлению упомянутых выше «струй». Задача аналитиков заключается не только в обнаружении образовавшихся адронов, (что является относительно простой задачей), но и в воссоздании истории образования отдельных струй, что не просто. Определение вида родившегося кварка может оказаться страшно трудной задачей, хотя для ее решения используются разные трюки. Например, прелестные кварки живут достаточно долго и до распада пролетают крошечное, но конечное расстояние. В результате частицы при распаде прелестного кварка возникают с небольшой задержкой по отношению к моменту основного столкновения, и эта задержка используется для их идентификации, даже если их собственные треки напрямую не наблюдаются.

Глюоны

Хотя глюоны являются бозонами, а не фермионами, они тем не менее сами чувствуют сильные взаимодействия, так что тоже проявятся в детекторе в виде струи адронов. Некоторое отличие состоит в том, что единичный глюон создать можно – например, его может выплюнуть какой-нибудь кварк, а вот новорожденные кварки всегда рождаются в паре с антикварками. Так что если вы видите три струи в событии, это означает, что в соударениях была создана пара кварк-антикварк и глюон. Сау Лан Ву и ее коллеги впервые установили, что глюоны реально существуют, использовав именно такие события.

W-бозоны, Z-бозоны, тау-лептоны, бозоны Хиггса

Эти совершенно разные частицы объединены в одну группу по одной простой причине: они очень тяжелые и поэтому недолговечные. Все они быстро распадаются на другие частицы, причем настолько быстро, что детекторы их зарегистрировать не могут, и судить о существовании этих частиц приходится, анализируя то, на что они распались. Из этого списка тау-лептоны имеют самое большое время жизни и при благоприятных условиях смогут прожить достаточно долго, чтобы их можно было идентифицировать.

Электроны и фотоны

Эти частицы проще всего и зарегистрировать, и точно измерить их свойства. Они не фрагментируются в струи, в которых трудно разобраться, как кварки и глюоны, зато охотно взаимодействуют с заряженными частицами в материале детектора, создавая электрический ток, который просто измерить. К тому же их просто отличить друг от друга, поскольку электроны (и позитроны – их античастицы) электрически заряжены и, следовательно, подвержены влиянию магнитного поля, в то время как фотоны нейтральны и двигаются беспрепятственно по прямой.