Вся физика в 15 уравнениях - Бруно Мансулье

с того, что… без устали бурил отверстия в довольно прочном бетоне! Марсель был трудоголиком, и работа продвигалась вперед без единой минуты отдыха: установка счетчиков, прокладка кабелей на десятки метров в сторону маленькой диспетчерской, где находился компьютер, который будет записывать тестовые данные, настройка всей электроники, настройка усилителей, логических схем, тестирование программного обеспечения для сбора данных… Прибыв в понедельник утром, мы завершили установку только около полудня среды, прерываясь лишь на то, чтобы перекусить по-быстрому в соседнем кафетерии. Все было в рабочем состоянии, готово к приему первых пучковых частиц и испытанию нашего прототипа детектора.

Я находился в очень странном состоянии: мои руки болели, все тело казалось еще тряслось от могучего перфоратора, голова переполнена всевозможной информацией, которую я узнал, глядя как мой руководитель стремительно настраивает сложнейшую электронику. Перед тем как лечь спать, мы зашли выпить пива в главный кафетерий, и я рухнул в кресло перед кофейным столиком. Вокруг, конечно, все говорили: кто на английском, кто на других языках. Держа в руках кофе, люди беседовали, спорили, строчили что-то на бумажных салфетках. Через пару столиков от меня Мюррей Гелл-Манн (Нобелевская премия в 1969 г.) болтал с Карло Руббиа (тот уже слыл известным физиком, хотя на тот момент еще не получил свою Нобелевскую (она нашла его в 1984 г.)). В таком вроде бы и странном состоянии слабости, но в то же время в ясном сознании я подумал: «Это место силы».

Лагранжиан возвращается

Вернемся к уравнению Стандартной модели. Уравнение вида L =… указывает на то, что это лагранжиан, оператор, который мы уже встречали в главе 2. Правильная теория лагранжиана содержит математическое описание составляющих материи и их взаимодействий. В случае лагранжиана Стандартной модели первые два его члена соответствуют, грубо говоря, электромагнетизму после изобретения уравнения Дирака: один описывает фотоны, другой — электроны.

В следующих членах выражения для лагранжиана вы заметите символ ф, который обозначает «поле Хиггса», более известное как «бозон Хиггса». Эта новая частица, необходимая для самосогласованности Стандартной модели, возникла в 1964 г. в более простом виде, а затем, спустя несколько лет, уравнение уже приняло форму, приведенную выше.

Между 1930-м и 1960-м гг. ядерная физика и физика элементарных частиц достигли большого прогресса. Все началось с экспериментов по изучению космических лучей — элементарных частиц, что приходят с неба. Затем ученые стали производить опыты на ускорителях, благодаря чему были открыты новые элементарные частицы, которые уже не являлись составляющими обычной материи, а также новые взаимодействия.

Теория также развивалась, или скорее теории, так как поначалу каждый вновь открытый тип взаимодействия требовал своей собственной теории: электромагнетизм описывал электроны и фотоны, слабые взаимодействия описывали радиоактивные распады, а сильные взаимодействия — сцепление внутри атомных ядер. Примерно в 1960 г. физики наконец-то смогли понять, что между этими взаимодействиями есть некое сходство, однако им не удавалось объединить их в одну согласованную общую структуру. В частности, оказалось, что хотя теории электромагнетизма и слабых взаимодействий очень близки, но все же они разделены непреодолимым препятствием.

В 1964 г. появились две статьи, которые стали решением данной проблемы. Первая была написана двумя бельгийскими теоретиками Робертом Браутом и Франсуа Энглертом, а вторая — шотландским теоретиком Питером Хиггсом. Ключевым моментом стало введение нового «поля» со странными свойствами: само его существование изменяет свойства всех других частиц, в том числе их массу и взаимодействия. Эта новая теория самым изящным образом обошла стену, отделявшую электромагнетизм от слабых взаимодействий: это действительно одно взаимодействие, но простое наличие поля Хиггса заставляет их проявляться по-разному в двух различных формах. Такая «маскировка» аккуратно и последовательно действует на все частицы.

Самое главное, что теория сформулировала ряд неожиданных предсказаний, проверить которые на ускорителях частиц можно будет или сейчас, или в будущем. Говорилось, что предполагается обнаружить частицу под названием Z0, похожую на фотон, но с очень большой массой (по тем временам), примерно в 100 раз больше массы протона. Кроме того, это новое поле проявилось в виде еще одной новой частицы, которая довольно быстро стала известна под названием «бозон Хиггса».

Таким образом, было устранено основное препятствие, и построена Стандартная модель вслед за эволюцией ускорителей частиц: некоторые уже известные частицы были гармонично включены в эту структуру (мюоны, нейтрино). Следом последовало открытие других частиц, таких как кварки, из которых состоят протоны и нейтроны, а затем еще несколько новых типов кварков, которые каждый раз красиво находили свое место в структуре модели. В 1984 г. частицу Z0 обнаружили в ЦЕРНе, а в 1995 г. последний и самый массивный кварк Стандартной модели был идентифицирован в лаборатории Ферми неподалеку от Чикаго.

Охота на Хиггса

Но где же бозон Хиггса? Стандартная модель описывала все его свойства… кроме самого важного с экспериментальной точки зрения — его массы. С большим трудом удалось нащупать диапазон возможных масс с самым высоким значением далеко за пределами досягаемости ускорителей 1970-х гг. Поэтому каждый раз, когда новый ускоритель вступал в действие, физики охотились за Хиггсом, но как-то бессистемно, так как они не знали, хватит ли энергии, чтобы произошло его рождение в эксперименте. В 1989 г. (14 июля — легко запоминающаяся дата для французов[64]!) ЦЕРН запустил в эксплуатацию LEP, огромный электронно-позитронный коллайдер диаметром 8,6 км. До 2000 г. LEP достиг впечатляющего количества измерений, которые завершили и усовершенствовали Стандартную модель, однако Хиггс оставался вне досягаемости.

Уже в 1984 г. несколько десятков физиков провели семинар в Лозанне, чтобы обсудить nocт-LEP-эру: почему бы не смонтировать в том же туннеле протон-протонный коллайдер, БАК, который и заменит LEP, и сможет позволить достичь гораздо более высоких энергий? Пусть даже ускоритель LEP и откроет Хиггса, все равно БАК поможет лучше изучить его свойства в Стандартной модели. Если этого и не произойдет, то БАК, обладая достаточной энергией, чтобы охватить весь возможный диапазон масс, почти наверняка позволит обнаружить бозон Хиггса, если тот действительно существует.

Так как я являлся аспирантом (в 1984 г. защищал диссертацию), то смог присутствовать на том самом семинаре. Атмосфера действительно была восторженной и творческой, но я не могу сказать, что мы по-настоящему верили, что БАК будет построен… Мы тогда только начинали осознавать огромные проблемы, связанные с разработкой и реализацией столь мощного проекта. Как на стороне ускорителя, так и на стороне детекторов, которые будут построены для наблюдения этих столкновений, технологии должны были стать намного совершеннее, чем ноу-хау того времени. От магнитного поля и точности детекторов к скорости электроники и количеству данных, что необходимо обрабатывать, и т. д. Нами было сделано всего лишь несколько предварительных оценок нерешенных на тот момент