Читати книгу - "Спогади вигнанця, фізика, громадянина світу, Жорж Шарпак"

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