Читать книгу Частинка на краю Всесвіту - Шон Кэрролл - Страница 3

У Джоанни Г’юїтт туманіє голова, та вона широко всміхається, захоплено розповідаючи щось на камеру. Приміщення швейцарського посольства в Сан-Франциско наповнюється гамором збуджених учасників вечірки. Це особлива подія з нагоди святкування першого циркулювання протонів у підземному тунелі Великого гадронного колайдера (ВГК) поблизу Женеви. Сам ВГК – це велетенський пришвидшувач частинок, розміщений на франко-швейцарському кордоні, що розпочав свою роботу з розкриття таємниць Всесвіту. Шампанське ллється щедро, що й не дивно. Г’юїтт підвищує голос, наголошуючи на кожному слові: «Я чекала цього дня. Двадцять. П’ять. Років».

Це була визначна мить. Тоді, 2008 року, фізики нарешті одержали необхідний гігантський пришвидшувач частинок, здатний зіштовхувати протони з дуже високими енергіями. Науковці дуже довго всіх переконували, що без нього не зробити наступного великого кроку вперед. Якийсь час фізики сподівалися, що пришвидшувач збудують у США, але не так сталось, як гадалось. Коли 1983 року Конгрес США вперше схвалив проєкт будівництва Надпровідного суперколайдера (НСК) у Техасі, Г’юїтт лише вступила до аспірантури. Запланований розпочати свою роботу перед початком 2000 року НСК мав стати найбільшим із коли-небудь створених колайдерів. Г’юїтт, як і багато інших розумних і амбітних фізиків її покоління, сподівалася, що майбутні відкриття завдяки НСК дадуть початок їхнім науковим кар’єрам.

Однак проєкт НСК скасували, тим самим вибивши ґрунт із-під ніг фізиків, що сподівалися завдяки цьому суперколайдеру сформувати основний напрям розвитку фізики елементарних частинок на найближчі десятиліття. Проте на заваді стали політика, бюрократія та внутрішні чвари. І ось ВГК, багато в чому схожий на те, чим мав стати НСК, нарешті готовий до свого першого запуску, а про готовність Г’юїтт і її колег не варто й казати. Джоанн зізнається: «Останні двадцять п’ять років я тільки те й робила, що брала будь-чиї нові божевільні теорії та обчислювала їхні сигнатури [спосіб визначення нових частинок, прогнозованих теоріями] у НСК чи ВГК».

Є ще одна (глибоко особиста) причина того, що у Джоанн паморочиться голова. На відео її руде волосся пострижене дуже коротко, майже налисо. Це не данина моді. На початку того ж року в неї виявили агресивну форму раку грудей. Імовірність настання смерті становила один до п’яти. Джоанн обрала вкрай інтенсивну програму лікування, що передбачала жорстку хіміотерапію та ледь не безкінечну низку хірургічних операцій. Її незмінне руде волосся, що зазвичай сягало пояса, швидко зникло. Вона, сміючись, розповідала мені, як інколи, щоб не занепасти духом, уявляла собі, які нові частинки можна буде знайти у ВГК.

Ми із Джоанн знаємося як друзі й колеги вже чимало років. Мої наукові інтереси стосуються здебільшого царини космології – науки про всесвіт як цілість, що недавно ввійшла у свою золоту добу, збагатившись новими даними й несподіваними відкриттями. А от фізика елементарних частинок, ставши останнім часом невіддільною від космології як суміжної дисципліни, гостро потребувала нових експериментальних результатів, що допомогли б перетрусити купу теорій і привести нас до нових ідей. Із часом ця потреба набувала дедалі невідкладнішого характеру. Коли на тому святкуванні 2008 року ще одного фізика, Ґордона Воттса з Вашинґтонського університету, запитали, чи таке довге чекання не спричиняло стресів, він відповів так: «Ще й як спричиняло. Я вже неабияк посивів. Моя дружина вважає, що це через нашу дитину, але насправді це через ВГК».

Фізика елементарних частинок стоїть на порозі нової ери, коли деякі теорії розсиплються на порох, а інші, можливо, виявляться цілковито правильними. Кожен із присутніх на вечірці фізиків мав свої улюблені моделі: Гіґґсів бозон, суперсиметрію, техніколор, додаткові виміри, темну матерію. Цілий жмут екзотичних ідей та ще найнеймовірніших способів їхнього застосування.

«Я сподіваюся, що ВГК знайде саме те, чого нема в цьому списку,– піднесено каже Г’юїтт.– Я справді вважаю, що він ще здивує нас, бо мені здається, Природа розумніша за нас і вона приготувала нам кілька несподіваних загадок. Тож ми добре розважимося, намагаючись їх розгадати. Буде цікаво!»

Це був 2008 рік. А 2012 року вечірка, присвячена інавгурації ВГК, лишилася в минулому й офіційно почалася ера відкриттів. Волосся Джоан відросло. Лікування було болісне, але, здається, воно допомогло. І той експеримент, на який вона чекала всю свою кар’єру, вже творить історію. Після двох із половиною десятиліть теоретизування Г’юїтт нарешті зможе перевірити свої ідеї на підставі справжніх даних, небачених раніше жодною людиною частинок і взаємодій,– тих таємниць, які Природа ретельно приховувала від нас. Донедавна.

Перенесімося в 4 липня 2012 року, коли відбувалася Міжнародна конференція з фізики високих енергій. Ця щодворічна конференція проводиться в різних містах світу. 2012 року вона завітала до Мельбурна (Австралія). Сотні фізиків-елементарників, серед них і Г’юїтт, заповнили головну залу, щоб взяти участь в особливому семінарі. Ось-ось і всі інвестиції у ВГК мали оплатитися, а тривалі сподівання справдитися.

Саму презентацію в Мельбурні транслювали з ЦЕРНу1 – лабораторії в Женеві, де розташований ВГК. Програма Мельбурнської конференції, як і попередніх, передбачала дві основні доповіді. Однак останньої миті організатори вирішили, що до події такого масштабу варто залучити майже всіх, хто допомагав ВГК стати успішним проєктом. Цей жест належно оцінили: сотні фізиків зібралися в ЦЕРНі за кілька годин до початку засідання, назначеного на 9 годину ранку за женевським часом, а дехто навіть ночував просто неба у спальних мішках, сподіваючись зайняти ліпші місця.

Засідання відкрив генеральний директор ЦЕРНу Рольф Гоєр. Оголосили дві доповіді – американського фізика Джо Інкандели та італійського фізика Фабіоли Джанотті, речників двох основних груп експериментаторів, що збирали й аналізували дані ВГК. У кожній із цих груп було понад три тисячі фахівців, більшість з яких працювала за своїми комп’ютерами, розкиданими по всьому світі. Засідання транслювали наживо не лише в Мельбурні: кожен охочий міг послухати результати експериментів. Це був доречний спосіб відсвяткувати поступ сучасної Великої науки, для якого знадобилися зусилля всієї світової спільноти, зважаючи на високі ставки та запаморочливі нагороди.

У доповідях і Інкандели, і Джанотті чулося помітне хвилювання, проте їхні презентації говорили самі за себе. Спершу вони обидва щиро подякували численним інженерам і науковцям, що допомагали проводити експерименти. Потім докладно пояснили, чому нам варто вірити тим усім результатам, про які вони збираються розповісти, продемонстрували, що вони розуміють, як працюють їхні машини і що аналіз даних точний і надійний. Лише після бездоганного викладу цієї частини доповідачі показали, що все ж таки вони знайшли.

І ось результати. Кілька графіків, що для ока недосвідченої людини не видаватимуться важливими, проте на них видно одну особливість, що повторюється: за деяких певних енергій спостерігається більше подій (наборів частинок, що утворюються під час одного зіткнення), ніж передбачалося. Усі фізики в аудиторії одразу розуміють, що це означає відкриття нової частинки. ВГК відкрив незвідану досі частину в природі. Інкандела і Джанотті пояснюють, який було проведено ретельний статистичний аналіз, щоб відділити справжні відкриття від випадкових статистичних флуктуацій. Результати в обидвох випадках однозначні: знайдено щось реальне.

Лунають оплески. У Женеві, Мельбурні – по всьому світі. Дані такі точні й чіткі, що вражають навіть тих науковців, що не один рік працювали над експериментом. Валлійський фізик Лін Еванс, який більше за всіх зробив для того, щоб провести ВГК тернистим шляхом до кінцевої мети, заявив, що «приголомшений» відмінною узгодженістю двох експериментів.

Я сам, удаючи журналіста, був того дня в прес-центрі ЦЕРНу бідя головної аудиторії. Медійники зазвичай не аплодують новинам, які висвітлюють, проте того дня кожен, хто був у прес-центрі, не міг опиратися нестримним емоціям. Це був не просто успіх ЦЕРНу чи фізики загалом – це був успіх усього людства.

Ми вважаємо, наче знаємо, що саме ми знайшли,– елементарну частинку, названу Гіґґсовим бозоном на честь британського фізика Пітера Гіґґса. Сам Гіґґс тоді був там, в аудиторії для семінарів. На той час йому виповнилося вісімдесять три роки й він був помітно розчулений, коли казав: «Ніколи не думав, що побачу все це ще за свого життя». Серед присутніх було також кілька фізиків похилого віку, що висували схожі ідеї ще 1964 року. Традиція називати теорії так чи інакше не завжди справедлива, але це була та тріумфальна мить, коли кожен міг приєднатися до святкування.

То що ж таке отой Гіґґсів бозон? Це одна з небагатьох фундаментальних частинок природи, до того ж дуже особлива. Сучасна фізика елементарних частинок знає три види частинок. Є частинки матерії, наприклад електрони й кварки, з яких складаються атоми, з яких так само складається все, що ми бачимо. Є силоносні частинки, що переносять гравітаційну, електромагнітну та ядерні взаємодії, які змушують частинки матерії триматися вкупі. І, нарешті, є Гіґґсів бозон, що належить до своєї власної категорії.

Гіґґсів бозон важливий не так тим, що він є, а тим, що він робить. Частинка Гіґґса виникає в полі, що пронизує весь простір, відомий як Гіґґсове поле. У відомому нам Всесвіті все, що мандрує крізь простір, рухається Гіґґсовим полем, що є завжди й усюди. Воно ніби ховається на дальньому плані, однак має важливе значення: без цього поля електрони й кварки не мали б маси, так само як і фотони (частинки світла). Вони самі рухалися б зі швидкістю світла, аж ніяк не утворюючи атоми й молекули, не кажучи вже про виникнення життя, яким ми його знаємо. Гіґґсове поле не грає активної ролі в поведінці звичайної матерії, але його наявність на задньому плані є вирішальною. Без нього світ був би геть інший. І ось тепер ми його знайшли.

Декілька слів застереження. Те, що ми насправді знайшли, свідчить про наявність частинки, дуже схожої на Гіґґсів бозон. Вона має відповідну масу, утворюється й розпадається приблизно так, як від неї сподіваються. Проте ще занадто рано впевнено стверджувати, що ми відкрили саме той простий Гіґґсів бозон, передбачений первісними моделями. Це може бути щось складніше, або та частинка може бути елементом складної мережі взаємопов’язаних частинок. Проте ми, безумовно, знайшли якусь нову частинку, й вона поводиться так, як, на нашу думку, мав би поводитися Гіґґсів бозон. У цій книжці я вважатиму 4 липня 2012 року днем оголошення відкриття Гіґґсового бозона. Якщо реальність виявиться значно хитромудрішою, то ще ліпше для всіх: фізики не можуть жити без несподіванок.

Великі сподівання покладають на те, що відкриття Гіґґсового бозона ознаменує початок нової ери фізики елементарних частинок. Ми знаємо, що на цю мить ще не все розуміємо у фізиці, а вивчення частинки Гіґґса відчинить нам вікно в незвіданий світ. Експериментатори, як Джанотті й Інкандела, одержали новий вид частинки для вивчення, а теоретики, як Г’юїтт,– нові підказки для побудови досконаліших моделей. Ми зробили величезний, довгоочікуваний крок уперед у розумінні Всесвіту.

Ця розповідь буде про людей, що присвятили своє життя вивченню засад нашої реальності, преважливим компонентом якої є Гіґґсів бозон. Про теоретиків, що сидять за столами з ручками й папером, обертаючи в голові абстрактні ідеї, та надихаються чашками еспресо й палкими дискусіями з колегами. Про інженерів, що вдосконалюють різні машини, намагаючись вийти за межі можливостей сучасних технологій. І, найголовніше, про експериментаторів, що, об’єднуючи потужності машин і теорій, прагнуть довідатися щось нове про Природу. Передова сучасна фізика не може обійтися без проєктів, що коштують мільярди доларів і потребують десятиліття на виконання; проєктів, що вимагають виняткової самовіддачі й готовності до пожертви заради ні з чим незрівнянної нагороди. Коли це все збігається, світ змінюється.

Життя чудове. Випиймо ще шампанського.