Лоуренс Максвелл Краус - Таємниці походження всесвіту

Два герої нашої оповіді донедавна могли означати, що її ключові аспекти є всього-на-всього казкою, вигаданою теоретиками з надто багатою уявою.

По-перше, уведені 1960 року для пояснення слабкої взаємодії W– та Z-частинки з масами, майже в сотню разів більшими за масу протонів та нейтронів, зоставалися лише теоретичними постулатами, попри переконливі опосередковані докази їх існування. Мало того, було передбачено, що весь простір пронизує невидиме поле, поле Хіггса, маскуючи справжню природу реальності та уможливлюючи наше існування, оскільки воно спонтанно порушує симетрію між слабкою та електромагнітною взаємодіями.

Уславлення оповіді, яка претендує на роз’яснення, як так сталося, що ми існуємо, але водночас постулює існування невидимого поля, що пронизує весь простір, підозріло нагадає не наукове, а релігійне уславлення. Аби по-справжньому гарантувати, що наші вірування відповідають фактам реальності, а не нашим бажанням стосовно реальності, аби наука залишалася гідною цього звання, ми мали відкрити поле Хіггса. Лише тоді ми змогли б точно визначити, чи може важливість рис нашого настільки дорогого нам світу не перевищувати важливості рис якогось довільного крижаного кристала на вікні. Або, якщо ближче до теми, бути не більшою за важливість надпровідникової природи дроту в лабораторії порівняно з нормальним опором дротів у моєму комп’ютері.

Обсяг експериментальної роботи для здійснення цього завдання не поступався в плані складності розробці власне цієї теорії. У багатьох аспектах ця робота жахала навіть більше, і для її виконання знадобилося витратити понад п’ятдесят років та використати найскладніший витвір технології, за який коли-небудь бралося людство.

Розділ 20
Надираючи вакуум

І коли вдарить тебе хто у праву щоку твою, підстав йому й другу.

Від Матвія 5:39

Завершивши 1970-ті роки, фізики-теоретики перебували на вершині світу, вони тріумфували й торжествували. Ураховуючи стрімкість прогресу, що привів до створення Стандартної моделі, які світи буде підкорено далі? Мрії про теорію всього, які тривалий час перебували в сплячці, почали поволі пробуджуватися знову, причому не лише в тьмяних закутках колективної підсвідомості теоретиків.

Утім, калібрувальні W– та Z-частинки так ніхто на ділі й не побачив, і завдання організувати їхнє безпосереднє спостереження було вельми страхітливим. Було точно передбачено, що їхні маси приблизно в дев’яносто разів більші за масу протона. Складність з отриманням цих частинок пов’язана з простою фізичною деталлю.

Фундаментальне рівняння теорії відносності Ейштейна E = mc2 показує, що можна перетворити енергію на масу, розігнавши частинки до енергій, набагато більших за їхню масу спокою. Далі можна вдарити ними об мішень і подивитися, що буде.

Проблема в тому, що енергія, доступна для одержання нових частинок за рахунок вдаряння іншими швидко рухомими частинками в нерухомі мішені, надається тим, що називається енергією центру мас. Для тих, кого не злякати ще однією формулою, вона дорівнює кореню квадратному з подвоєного добутку енергії прискореної частинки на енергію маси спокою частинки-мішені. Уявіть, що ми розігнали якусь частинку до енергії, у сто разів більшої за енергію маси спокою протона (що становить приблизно один гігаелектронвольт, ГеВ). Тоді в результаті зіткнення з нерухомими протонами мішені доступна для створення нових частинок енергія центру мас становитиме тільки 14 ГеВ. Це лише трохи більше за енергію центра мас, доступну в найвисокоенергетичнішому прискорювачі елементарних частинок зразка 1972 року.

Щоб досягти енергії, необхідної для породження масивних частинок на кшталт W– чи Z-бозонів, мають зіткнутися два зустрічні пучки частинок. У цьому випадку сумарна енергія центру мас дорівнює просто подвоєній енергії кожного пучка. Якщо кожен із пучків частинок, що беруть участь у зіткненні, має енергію, у сто разів більшу за масу спокою протона, дістаємо 200 ГеВ енергії, яку можна перетворити на масу нових частинок.

Нащо ж тоді будувати прискорювачі з нерухомим мішенями, а не колайдери? Відповідь дуже проста. Якщо я стріляю кулею у ворота сараю, моє влучання куди-небудь більш-менш гарантоване. Але якщо я стріляю кулею в іншу кулю, що летить до мене, то, щоб гарантовано в неї влучити, я маю бути значно вправнішим стрільцем, ніж, мабуть, будь-хто з нині живих, і мати значно кращу зброю, аніж будь-яка наявна.

Саме такий виклик стояв перед експериментаторами 1976 року, коли вони поставилися до електрослабкої моделі достатньо серйозно, аби вирішити, що її перевірка варта часу, зусиль і грошей.

Проте ніхто не знав, як збудувати пристрій із достатньою кількістю енергії. Прискорення окремих пучків частинок чи античастинок до високих енергій було опрацьоване. Станом на 1976 рік ми вже вміли розганяти протони до 500 ГеВ, а електрони – до 50 ГеВ. На менших енергіях було здійснено успішні зіткнення електронів та їхніх античастинок, і саме так 1974 року було відкрито нову частинку, яка містила чарівні кварк і антикварк.

Протони, які від самого початку мають більшу масу, а отже, і більшу енергію спокою, легше розігнати до високих енергій. Саме 1976 року було здано в експлуатацію протонний прискорювач у Європейській організації з ядерних досліджень (ЦЕРН) у Женеві, протонний суперсинхротрон (SPS) – традиційний прискорювач зі стаціонарною мішенню, здатний працювати з протонним пучком потужністю 400 ГеВ. Проте на момент увімкнення SPS інший прискорювач у Фермілабі, що неподалік від Чикаго, уже досяг рівня потужності протонного пучка в 500 ГеВ. У червні того ж року на конференції, присвяченій нейтрино, фізики Карло Руббіа, Пітер Макінтайр та Девід Клайн виступили із зухвалою ідеєю: якщо перебудувати SPS у ЦЕРН на машину, у якій протони зіштовхуватимуться з їхніми античастинками, антипротонами, ЦЕРН потенційно зможе виробляти W– та Z-частинки.

Їхня зухвала ідея полягала у використанні одного й того ж кругового тунелю для розгону протонів в один бік, а антипротонів – у другий. Оскільки ці дві частинки мають протилежні електричні заряди, той самий розгінний механізм діятиме на кожну з них відповідно. Тож один прискорювач у принципі міг утворити два високоенергетичні пучки, що рухатимуться по колу в протилежних напрямках.

Логічність цієї ідеї була очевидна, а от її реалізація – ні.