Иэн Сэмпл - В поисках частицы Бога, или Охота на бозон Хиггса

LHC — это современная история ЦЕРНа, но я приехал сюда, чтобы узнать о его прошлом. До того как Эванс был назначен руководителем проекта LHC, он был руководителем предшественника LHC в ЦЕРНе — Большого электрон-позитронного коллайдера (LEP), строившегося в 1983-1988 годах. Поскольку американский проект Сверхпроводящего суперколлайдера почил в бозе, LEP стал первым ускорителем частиц, начавшим серьезную охоту на бозон Хиггса 130 130 Более полный обзор особенностей проектирования и строительства Большого электрон-позитронного коллайдера см. в кн.: Herwig Schopper. LEP: The Lord of the Collider Rings at Cern 1980-2000. Springer, 2009. Журнал ЦЕРНа “CERN Courier” является полезным и бесплатным ресурсом, что особенно ценно для желающих узнать побольше о машине. . Хотя к тому времени “Теватрон” лаборатории Ферми находился в рабочем состоянии, там не удалось зарегистрировать достаточного количества столкновений частиц с высокими энергиями, так что у американских ученых пока не было шансов поймать бозон Хиггса. Потребовалась серьезная модернизация как самой машины, так и детекторов, чтобы “Теватрон” стал главным охотником за неуловимыми частицами. Но это случилось уже через 15 лет после запуска LEP.

Когда LEP был построен, эта машина оказалась крупнейшей научной установкой в мире и самой сложной из всех, с которыми когда-либо имел дело ЦЕРН. Строительство и эксплуатация коллайдера подняли столько проблем, что их хватило на учебные примеры для студентов технических вузов на десятилетия вперед. ЦЕРН славился тем, что его ученые умеют сталкивать протоны друг с другом. Но LEP был уходом от традиции — он предназначался для столкновений электронов и позитронов — эквивалентов электронов в антивеществе. Поскольку и электроны и позитроны — истинно элементарные частицы, их нельзя разбить на более мелкие части, столкновение их друг с другом лоб в лоб приводит только к выделению энергии, которая превращается в совершенно новые виды материи.

Офис Лина Эванса находится недалеко от столовой, в пяти минутах езды на машине. И вот мы входим в его кабинет. Проглядев какие-то бумаги, лежавшие у него на столе, Эванс садится и начинает свой рассказ. Полки за его спиной заставлены фрагментами ускорителя, а среди фотографий, которыми увешана одна из стен, есть снимок Эванса рядом с Питером Хиггсом. “LEP был уникальной машиной”, — с удовольствием вспоминает Эванс.

Планировалось, что коллайдер будет запущен в два этапа. На первом пучки частиц, прежде чем столкнуться, должны ускориться примерно до 50 ГэВ каждый. Задача этого этапа заключалась в том, чтобы получить огромное количество Z-частиц и изучить их до мельчайших подробностей. На втором этапе энергия пучков должна быть увеличена до 80 ГэВ каждый, что достаточно для рождения пар W-частиц, которые также планировалось детально изучить.

Если вы собираетесь строить ускоритель элементарных частиц, например такой, как LEP, вам необходимо учесть бесконечное число факторов. Прежде всего вы должны найти компромиссное решение при выборе размеров. Малые кольцевые коллайдеры неэффективны, потому что, когда вы ускоряете электроны на траекториях малого радиуса, они теряют много энергии в виде излучения 131 131 Энергия, которую электроны теряют, двигаясь по изогнутой траектории, называется синхротронным излучением. Эти потери мешают при создании пучков высоких энергий, так как чем быстрее электроны летят, тем больше они излучают, поэтому больше энергии должно выкачиваться из ускоряющего оборудования. Но есть и другая сторона медали. Синхротронное рентгеновское излучение невероятно интенсивно и может быть использовано для изучения всех видов объектов — от белков до авиационных двигателей. В синхротроне Diamond в Оксфордшире синхротронное излучение было использовано для изучения фрагментов свитков Мертвого моря без их распрямления и порчи хрупкого папируса. . Большие ускорители более эффективны в этом смысле, у них кривизна траектории электронов меньше, однако их строительство гораздо дороже.

В начале ЦЕРН планировал построить для LEP 50-километровое кольцо, но стоимость оказалась заоблачной. Остановились на 27-километровом кольце и четырех огромных детекторах для регистрации новых частиц, которые могли бы появиться на свет при каждом столкновении.

Определившись с размером машины, стали искать место для нее. Принять это решение оказалось не так просто. Большой размер LEP означал, что нужно купить довольно большой участок земли рядом с основной территорией ЦЕРНа, а денег на это не хватало. Дешевле было привлечь сверхмощные бурильные машины и прорыть туннель для коллайдера под землей. Подземный вариант имеет много преимуществ. Слой земли над ускорителем эффективно защищает от излучаемой им радиации, кроме того, он защищает и сам ускоритель от возможных вредителей-диверсантов. И кроме всего прочего, подземный вариант позволяет не испортить красивый сельский пейзаж — на фоне идиллического ландшафта не появится металлический монстр, окруженный забором из колючей проволоки.