У пошуках бозона хиггса
НІЧ. Прискорювач часток Теватрон, побудований недалеко від Чикаго, протягом 27 років був найбільшим вікном в субатомну всесвіт
Для кількох сотень фізиків, які провели тут майже 20 років в пошуках гіпотетичної частинки, відомої під назвою бозон Хіггса, це означає лише одне - пальма першості в боротьбі за Нобелівську славу віддана головному супернику - Великому адронному колайдеру (ВАК), новому, більш потужному, прискорювача в CERN на швейцарсько-французькому кордоні. Окружність його головного прискорювального кільця довжиною близько 27 км забезпечує значно більшу енергію частинок. БАК буде замість Теватрон в якості головного дослідницького інструменту для фізики елементарних частинок, і цю позицію він збереже ще і в наступному десятилітті.
ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ
«Мені хочеться перемогти Дмитра, а йому - мене», говорить Роб Роузер (Rob Roser), керівник команди CDF, «Ми добрі друзі, ми обговорюємо всі проблеми. Але кожен з нас бажає випередити іншого. Тепер гра змінилася. Сьогодні поганий хлопець - це ВАК, а не Дмитро. Я не хочу, щоб БАК випередив будь-якого з нас. Це все одно що сказати: ніхто не може вдарити мого молодшого брата, це можу тільки я ».
З припиненням (відносним) старого суперництва і стартом нових проектів Фермілабі переживає період невизначеності. Те ж можна сказати і про всю фізики елементарних частинок. Фізики довго чекали створення нової машини, яка дозволила б їм проникнути в нову фізичну реальність. У передбаченні того, що через рік-другий БАК подвоїть енергію зіткнень, не бракує в припущеннях про нові відкриття: простору інших вимірів, суперсиметрія (припущення про те, що кожна з відомих частинок має так званого суперсиметричних близнюка) і, звичайно, бозон Хіггса. А найкраще, щоб це було щось зовсім несподіване. Однак існує й інша можливість, яку зазвичай вважають за краще не розглядати, але якої не можна нехтувати. І ця можливість одночасно і турбує, і інтригує фізиків: що якщо ні БАК, ні експерименти, плановані в поточному десятилітті в «бестеватронном» Фермилабе, не виявлять взагалі нічого нового?
попереду невідомість
Ще зовсім недавно Теватрон будив в фізиків ті ж надії, що тепер вони пов'язують з ВАК. За 15 років до того, як він був запущений, фізики в Фермилабе думали, що Теватрон допоможе їм зловити бозон Хіггса, довести існування суперсиметрії, зрозуміти природу темної матерії і багато іншого.
ТРИ ДЕСЯТИЛІТТЯ ВІДКРИТТІВ
Майже все, що вам потрібно знати про колайдері, можна звести до двох факторів. Перший - це енергія прискорених частинок: чим вона більше, тим більш важкі частинки (маса їх вимірюється в гігаелектронвольт, ГеВ) доступні для вивчення. Другий - це світність, або число зіткнень в секунду. Перше десятиліття сущеествованія Тевароона інженери витратили на підвищення його енергії; в останні два десятиліття вони займалися тим, щоб інтенсивність зіткнення була порівнянна з силою потоку з пожежного шланга. Тут наведені найбільш значущі події з життя коллайдера
Крім Нобелівської премії відкриття цієї частинки принесло б можливість увінчати блискучу еру розвитку фізики. Бозон Хіггса - це елемент, якого бракує Стандартній моделі, величної будівлі сучасної теоретичної фізики, яка описує Всесвіт в термінах взаємодій 17 фундаментальних частинок. Вона об'єднує три з чотирьох сил природи: сильна взаємодія, що зв'язує в одне ціле ядра атомів, слабка взаємодія, відповідальна за розпад частинок, і більш знайоме нам електромагнітне (гравітація - єдина сила, яка не описується Стандартною моделлю). Теоретики наклали останні мазки на портрет Стандартної моделі майже 40 років тому, і з тих пір все її передбачення були підтверджені експериментально.
Наввипередки з БАК
Тепер фізики сподіваються, що те, що не вдалося зробити Теватрон, зробить БАК, що він приведе їх на нову територію і вчені зможуть створити теорію замість Стандартної моделі. Мренна, як і більшість його колег, впевнений, що ВАК рано чи пізно знайде бозон Хіггса. «Я думаю, що це станеться в цьому або наступному році. Я міг би піти в заклад, - каже він. - У тому випадку, якщо ми його не виявимо, моя впевненість в тому, що ми там не знайдемо нічого, зросте ».
У цьому й полягає проблема майбутніх досліджень: можливо, що там нічого немає. Деякі фізики вважають, що існує «енергетична пустеля» між областями, доступними з їхніми дослідженнями, і тими, де може виникнути дійсно нова фізика. Якщо це так, то нових відкриттів доведеться чекати ще десятки років. БАК, звичайно, найпотужніший прискорювач теперішнього часу, але він не настільки потужний, щоб дати фізикам впевненість в тому, що він допоможе їм проникнути на новий рівень реальності.
Іншими словами, якщо енергетична пустеля існує, то можливо, що ми не зможемо зібрати свою волю, щоб її перетнути. «Тому зараз нам потрібен успіх. Ми повинні знайти щось нове », - каже Мренна.
Життя продовжується
Перший в світі прискорювач частинок був створений в 1929 р Ернестом Лоуренсом (Ernest Lawrence) в Каліфорнійському університеті в Берклі. Він називав цей прилад протонної каруселлю. Діаметр її становив п'ять дюймів, зроблена була з латуні, сургучу і скла і обійшлася приблизно в 25 доларів. БАК, запущений майже на 80 років пізніше, коштував 10 млрд. Доларів. Для його побудови потрібно міжнародне співробітництво вчених і інженерів, і зараз він займає територію розміром з невелике місто. Але навіть якщо на БАК будуть досягнуті великі успіхи, шанси на те, що в доступному для огляду майбутньому можна буде зробити подібний стрибок в енергії частинок, невеликі. «Ми знаємо, як збільшити енергію в десять разів, але це буде коштувати вдесятеро дорожче, - каже директор Фермилабе П'єр Оддон (Pier Oddone). - Ми досягли межі тих витрат, які країни готові собі дозволити ».
Головне кільце Теватрона вимкнено, але фізика в Фермилабе не закінчена. Вчені генерують нейтрино, використовуючи меншу, інжекторне кільце (зліва внизу), і направляють їх пучок крізь товщу Землі до підземного детектора, розташованому на відстані в 724 км в покинутій шахті в штаті Міннесота
Протягом наступного десятиліття, а, можливо, і довше, головна фізична лабораторія Сполучених Штатів буде жити в тіні ВАК. За словами Оддон, в Фермилабе буде продовжена робота по проектам, які були б відкладені або закриті, якби Теватрон продовжував працювати, але зрозуміло, що центр ваги в світі фізики елементарних частинок змістився.
У Фермилабе зараз ведуться експерименти в галузі фізики нейтрино - ймовірно, найбільш загадковою з фундаментальних частинок: їх направляють з джерела в Фермилабе крізь 724-кілометрову товщу земної кори до детектору, встановленому в шахті в Міннесоті. Вчені з Фермилабе візьмуть також участь в астрономічній дослідницькій програмі «Огляд темної енергії» (Dark Energy Survey).
Керівник проекту Стів Холмс (Steve Holmes) говорить: «Project X - міст, знову веде нас до передових рубежів фізики високих енергій. Це дасть можливість захопити лідируючі позиції і зберегти їх. Коли люди за ланчем запитують мене, яке майбутнє нас тут чекає, я говорю їм, що у фізиці високих енергій США були провідними в світі протягом 70 років. Це сама фундаментальна область фізики, і як велика країна ми повинні зберігати такий стан. Але я не можу відповісти, коли ми досягнемо цього ».
Переклад: А.А. Сорокін