Жорж Шарпак - Спогади вигнанця, фізика, громадянина світу, Жорж Шарпак

«А Вам відомо, що Александр Великий розплакався, дізнавшись, що, на думку одного з філософів, світів незліченно багато?» А коли запитали, чому він плаче, то відповів: «Бо досі я завоював лише один»[14].

По цей бік грандіозних універсальних теорій, які шукають пояснення геть усьому, дослідницька робота триває. Що саме шукають? Насамперед, як ми вже наголошували, бракує головного складника — бозона Гіґґза, покликаного пояснити загадку мас частинок. Це — необхідна ланка для зміцнення всієї моделі. І її бракує так само, як на початку 1980-х років бракувало бозонів W та Z. Вже зібрано дані про вірогідну масу такої частинки, пропонують вилку між 114 та 160 ГеВ/с2. З такою масою ускладнюється продуктивність. Аби щось відкрити, знову треба підвищити енергію під час зіткнення. Саме тому в ЦЕРНі взялися зводити новий колайдер — LHC (Великий адронний колайдер). Цього разу вдалися до зіткнень протонів із протонами за енергії досі небаченого рівня — 7 ТеВ на кожен потік. Тривалий час цей рівень вважатиметься рекордною енергією, якої досягнуто в приладі, зведеному людьми.

Колайдер зібрано в замкненому тунелі, що залишився від LEP. 27 кілометрів обводу приховують 1232 надпровідникові магніти, що працюють за температури 1,7 К — нижчої за температуру космосу. Деякі експерименти здійснюються з прямим переданням на потоки, що стикаються в кількох точках подвійного кільця на глибині 100 м.

Головне завдання LHC — пошуки бозона Гіґґза: існує один різновид чи потрібно декілька? Одначе надії фізиків на LHC — набагато більші: вони сподіваються відкрити ознаки надсиметрії — теорії, яка пов’язує бозони і ферміони в одну категорію об’єктів та ґрунтовно уніфікує наше бачення складників. Теоретики боготворять надсиметрію. Дослідникам нема чого вередувати, адже теорія передбачає подвоєння наявних частинок, а отже — вибух нових станів. Серед надсиметричних об’єктів сподіваються довести існування стабільної частинки, утвореної в мить Великого вибуху, яка пояснила би приховану масу Всесвіту — одну з найбільших загадок астрофізики, помічену завдяки ґравітаційному ефектові на рівні галактик.

Але, щоб перевірити ці припущення, потрібні були прилади рівня прискорювача. Один із них назвали іменем мітичного велетня — АТЛАС50. Це — величезний детектор, розмірами майже з «СуперКаміоканде», проте замість звичайного резервуару з водою АТЛАС наповнений спеціалізованими детекторами, де кожна точка має конкретне спрямування. Споруда залежить від двох потужних магнітів-надпровідників — внутрішнього і зовнішнього, що має дуже незвичну форму тороїда.

Одна з найбільших проблем під час зіткнень у LHC полягає у виборі актів — носіїв потенційно нових сигналів. Адже потрібний стан — вельми рідкісний, на мільярд актів, які повторюють стару структуру, припадає лише один із новою. Отже, щоб відкинути надмірні дані з потоку, тотожному двадцяти одночасним телефонним розмовам кожного мешканця земної кулі, потрібні дуже точні детектори та дієві алгоритми.

Повний детектор є одночасно величезним і дуже складним. Він має зернисту структуру і складається з кількох спеціалізованих шарів. Завдовжки детектор не менше 40 м, діаметр — 25 м. Важить він 7 тонн, і кожну точку всередині цього гіганта треба знати з точністю до 10 мікрон. Спеціалізовані детектори нашаровуються починаючи з точки взаємодії. Спершу траєктограф відтворює сліди, відштовхуючись від схем і відстежуючи прохід заряджених частинок із точністю до 20 мікрон. Потім приходить черга двох калориметрів — спершу електромагнітного, згодом адронного. Нарешті, довкола діє система, здатна дуже точно фіксувати сліди мюонів.

АТЛАС зведено в гігантській підземній печері. Проект розпочався двадцять років тому. Після введення в дію він пропрацює принаймні десять років — дві тисячі фізиків вивчатимуть зібрані дані. Гігантизм, невтоленність — принципи фізики частинок нагадують правила зведення середньовічних соборів. Одне покоління вірян працює над кресленням, наступне — над самою будівлею, а третє вже користується спорудою, продовжуючи її прикрашати. Є чимало прикладів соборів, що так і не були завершені через занадто амбітний первісний задум: часом після кількох століть вагань фасад у стилі класицизму тиснуть до готичних хорів, а іноді соборові бракує цілої вежі. У фізиці, звісна річ, прилад має бути цілим від самого початку, інакше загадки не буде розкрито, але якщо порівнювати спільність зусиль, то процеси — дуже подібні.

Важлива несподіванка

Сьогодні ми бачимо деталі структури матерії у сто мільйонів разів ближче, ніж сто років тому. Отже, праця фізиків принесла свої плоди. Проте дехто ставить запитання, чи це «свято життя» справді добігло кінця? Фізики кинулися «святкувати» з неймовірним завзяттям — звичайно, кожному хочеться, аби «свято» тривало далі, проте насправді майбутнє лежить у тумані.

Великі надії покладаються на LHC. Саме його завдання відкрити частинку, яка виконуватиме функції бозона Гіґґза. Саме він повинен продовжити історію Стандартної моделі — і завершити її. Чи зможе новий прилад вказати напрямки розвитку нової фізики, що дозволить зробити стрибок уперед? Побачимо.

А поки там що, низка фізиків уже давно повернулися до спостережень за небом. Фізика частинок є спадкоємицею не тільки ядерної фізики, а й фізики космічного проміння. У 1990-х роках почалося зменшення кількості експериментів на прискорювачах, а наукові групи, навпаки, більшали, дехто звертав увагу на природне випромінювання, аби мати змогу здійснювати простіші експерименти. Так з’явилася галузь, що дістала назву фізики космічних променів або зоряних частинок. Це — оновлене дослідження частинок, що доходять до нас із невідомих космічних джерел. Мотивації досліджень різні: пошуки нових джерел високих енергій, вивчення поведінки частинок під час перетину величезних просторів, аналіз властивостей частинок, утворених в умовах енергії, що їх неможливо досягнути на Землі.

Фізика космічних променів шукає джерела частинок у небі, зірки, які випромінюють протони високих енергій, або нейтрино, а про гравітаційні хвилі годі й казати. Заявки на відкриття вже робилися, але не знайшли підтверджень. Повернення частини наукової спільноти до космічних променів збагатило галузь досвідом, отриманим на прискорювачах. Зокрема, фізики-емігранти застосували методи, вдосконалені в лабораторіях, і промислові технології для спорудження приладів, які змагалися в розмірах і, звичайно, в ціні з експериментами на прискорювачах.

Скажімо, обсерваторія ім. П’єра Оже в аргентинській пампі використовує близько 1600 станцій, які охоплюють ділянку у 3000 км2. Навіщо такі розміри? Бо тут також полюють на рідкісного звіра — сподіваються відкрити фізику нового стану. Вже виявили вірогідні протони енергією в кілька 1020 еВ, що у сто мільйонів разів більше за енергію протонів LHC. Але, якщо LHC необхідно живити сотнями мільярдів протонів, тут промені просто з неба щільністю в одну частинку на 1 км2 раз на століття. Тож 3000 км2 — необхідна ціна за надію збирати кількадесят зразків на рік.

Фізика частинок пов’язана і з космологією, яка вивчає всі аспекти існування Всесвіту. Вважається, що після Великого вибуху залишилися «викопні» об’єкти, що заповнюють простір. Останніми роками спостерігається запаморочливий розвиток космології, дещо подібний до розвитку фізики частинок