Другий запуск ВАК: фізики готують революцію

Тоді як Великий адронний колайдер (ВАК) готується до другої серії експериментів із прискоренням заряджених частинок до надвеликої енергії зіткнень, фізики Європейського центру ядерних досліджень стають усе нетерплячішими. Вони хочуть за допомогою другого кола експериментів до основ потрясти свою наукову галузь.

"Не можу дочекатися ввімкнення. Ми від січня 2013 року чекаємо, коли зможемо знову запустити пучки протонів", - каже Тара Шіарс, професор фізики елементарних частинок з університету Ліверпуля.

Професор Шіарз намагається перекричати гул від роботи техніки і приладів, а також постійний шум від великого дослідного апарату за її спиною - LHCb, одного з чотирьох детекторів, що розміщені на різних ділянках окружності ВАК завдовжки 27 км.

Весь цей шум посилюється відлунням, бо ми стоїмо на вході у величезну печеру на глибині десь із 30 поверхів під французько-швейцарським кордоном.

Інші три детектори - Atlas, CMS та Alice - займають подібні за величиною зали, поховані під землею на інших точках цього відомого циклічного трубопроводу.

"Все розбивається"

У середині березня два пучки протонів, що їх прискорюють і спрямовують охолоджені до наднизьких температур електромагніти, вперше за два роки подолають повне коло ВАК в обох напрямках.

Коли це станеться, жодної людської душі під землею не буде.

Якщо тестовий запуск пройде добре, то після цього - в травні - відновлять роботу всі чотири окремі детектори, які скеровують два паралельні пучки прискорених частинок до зіткнення і замірюють результати.

Для нас подолати відстань до наступного комплексу детектора забере 10-20 хвилин автомобілем, а для протонів одне коло в прискорювачі - це десятитисячна доля секунди. Вони мають перевагу, бо летять зі швидкістю, яка лиш трішки менша за швидкість світла.

Частинки летять з такою величезною кількістю енергії, що від їхнього зіткнення все сильно розпікається.

"Ми відтворюємо температури, які востаннє існували мільярдні долі секунди після Великого вибуху, - пояснює професор Шіарз. - Коли досягаються такі температури, то матерія розпилюється на атоми, а атоми розщеплюються на ядра і електрони. Все розбивається на свої складові частини. І ці складові якраз і є предметом дослідження у фізиці елементарних частинок".

Серед звичних нам електронів або кварків, які у поєднанні утворюють протони і нейтрони, ці складові частини включають і відомий на весь світ бозон Гіггса. Цю довгождану частинку - останнє помітне поповнення Стандартної моделі у фізиці елементарних частинок - вчені-дослідники виявили на детекторах Atlas і CMS у 2012 році.

На початку 2013 року після безлічі експериментів, які дали цінні, хоч і не такі сенсаційні, результати, ВАК закрили на модернізацію і плановий ремонт.

Новий ентузіазм

Два роки, що минули відтоді, були витрачені на технічне вдосконалення колайдера.

"Усі магніти-прискорювачі оглянуто, всі вузли сфотографовано рентгенними променями і зміцнено, всі електричні і кріогенні системи перевірено й оптимізовано", - розповідає професор Шіарз.

Уся ця операція означає, що тепер ВАК зможе нарешті вийти на проектну потужність.

Під час початкового запуску і після драматичного фальстарту в 2008 році колайдер досяг максимальної енергії зіткнення 8 трл електронвольт. Це сталося після збільшення потужності прискорювача в 2012 році, а завдяки цьому вже за лічені місяці вдалося відкрити бозон Гіггса.

Коли ВАК запрацює в травні цього року, зіткнення протонів вивільнятимуть 13 трильйонів електрон-вольт (ТеВ). Цей стрибок можна порівняти з тим, коли після початку своєї роботи колайдер залишив далеко позаду прискорювач частинок Tevatron, що в США.

"Це дійсно важливий крок в плані того, що ми зможемо побачити у нашому Всесвіті, - каже професор Шіарз. - Проектна потужність є ще вищою і становить 14 ТеВ. Ми хочемо для початку пересвідчиться, що можемо до неї наблизитися. Якщо все пройде добре, то через рік ми можемо ще підвищити енергію".

Паралельно з цим радикальним підвищенням енергії пучка заряджених частинок кардинальної модернізації зазнали і чотири детектори на точках зіткнень пучків.

Розбудувати і зламати

У певному сенсі одне із найяскравіших нових надходжень до арсеналу ВАК перед його другим запуском - це бозон Гіггса. Тепер, коли його існування підтверджене і виміряне, бозон може стати в центрі нового кола експериментів та аналізу.

"Це нові двері, нове знаряддя, яке ми можемо використати для того, щоб знайти щось за межами Стандартної моделі", - каже доктор наук Андре Давід, один із групи науковців на детекторі CMS.

Він везе мене зі свого об'єкту, що на території Франції, назад до штаб-квартири ЦЕРН. Цей головний об'єкт, що поруч із детектором Atlas, лежить на південній частині великого кола ВАК на швейцарському кордоні.

Вчений наголошує, що бозон Гіггса - значно більше, ніж просто остання частинка в переліку, які становлять Стандартну модель у фізиці елементарних частинок. "Це немов новий гайковий ключ, якому ми ще не знайшли точного застосування", - каже він.

Всі фізики, які тут працюють, не можуть дочекатися початку нового циклу експериментів, бо хочуть відкрити щось, що виходить за межі їхніх очікувань і розуміння.

"Отримані раніше нами дані підтвердили, що наша теорія справді правильна, що дратує, бо ми знаємо, що насправді це не так! - каже професор Шіарз. - Ми знаємо, що ця теорія не здатна пояснити багато процесів у Всесвіті. Тому замість того, щоби перевіряти правдивість цієї теорії, насправді ми хочемо її розгромити - показати, де вона перестає відображати дійсність. Лише так ми можемо досягти прогресу".

У їдальні в штаб-квартирі ЦЕРН я зустрічаюся з доктором наук Стівеном Голдфарбом, фізиком і розробником програмного забезпечення з команди детектора Atlas. Його настрій подібний до настроїв колег.

"Ми маємо фантастичну модель, яку ми всі ненавидимо, - жартує вчений. - Ця теорія справно працювала для високоточних замірювань минулі 50 років. Точність повсякчас підвищується, і теорія повсякчас підтверджується. Але ми її ненавидимо, бо вона не пояснює Всесвіту".

Темна матерія: присутня, але невидима

В дійсності під дію Стандартної моделі підпадає лише приблизно 5% Всесвіту. Фізики вважають, що решта утворені темною енергією (70%) і темною матерією (25%) - однак усе це припущення, поки не підтверджені експериментальними доказами.

Виходячи з того, як швидко галактики рухаються та обертаються, ми знаємо, що у Всесвіті набагато більше всього, ніж те, що ми здатні побачити за допомогою телескопів.

Одна з теорій для "нової фізики", яка передбачає існування більшої кількості частинок, зокрема загадкових складників темної матерії, - це суперсиметрія.

Дані з ВАК чи інших дослідних центрів жодним чином її не обґрунтовують, але вона залишається популярною гіпотезою серед фізиків-теоретиків. Суперсиметрія передбачає, що всі відомі нам частинки мають важчих "супер"-партнерів, досі не відкритих наукою.

Однак це не зупиняє прихильників теорії, пояснює доктор Голдфарб: "Якщо комусь, хто дуже поважає суперсиметрію, сказати: "Послухайте, якщо вони існують, чому ж ми їх не відкрили", то у відповідь пролунає: "Ми знайшли половину частинок! Залишилося відкрити другу половину..."

Деякі з цих досі не відкритих гіпотетичних частинок, на зразок глюіно чи нейтраліно, вважають найбільш імовірними першими відкриттями другого пуску ВАК.

Вони є також потенційними складовими темної матерії. Однак дослідники тримають відкритими й інші можливості.

Як каже доктор Голдфарб, експерименти не варто обмежувати конкретними примарними частинками: "Нехай це не буде суперсиметрія. Можна просто шукати темну матерію. Ось чому ми будуємо наші детектори досконало герметичними".

CMS і Atlas - два найбільш загальні детектори ВАК. Обидва цілковито оточують пункт зіткнення, щоб нічого не могло втекти.

Або майже нічого.

"Неможливо побудувати детектор нейтрино - тому нейтрино вилітають. Але ми знаємо, за яких умов і як часто мають утворюватися нейтрино. Тому ми можемо порахувати витік енергії".

Дослідники насправді дуже хотіли б знайти енергію, втечу якої пояснити не можуть.

"Коли побачите велику втрату енергії - більшу, ніж передбачено Стандартною моделлю, - лише тоді ви можете наштовхнутися на претендента на темну матерію", - пояснює доктор Голдфарб.

Антиматерія: взагалі відсутня

Навіть у тих 5% Всесвіту, які ми знаємо, існують загадкові дисбаланси. Великий вибух мав би спричинити два типи частинок - матерії та антиматерії - в однакових обсягах.

Коли ці два типи частинок стикаються, вони "знищують" одні одних. Такого знищення у Всесвіті було багато, кажуть фізики, а все, що ми здатні побачити, - це лиш залишки.

Однак, на диво, майже всі ці залишки представляють лише один тип - матерію.

"У Всесвіті немає антиматерії, - каже професор Шіарз. - Вона існує в науковій фантастиці і коли відбувається радіоактивний розпад, однак покладів антиматерії у світі немає".

Ось ця зяюча відсутність становить одну з найбільших наукових загадок, додає дослідниця. І в цьому - першочергове завдання другої частини експериментів детектора LHCb.

"Ми припускаємо, що відповідь має лежати в сфері нової фізики", - каже професор Шіарз. Вона сподівається, що збільшення енергії прискорення частинок майже вдвічі дозволить привідкрити завісу над цією загадкою.

"Ми маємо мільйон шалених гіпотез. І потрібно залишати всі можливості відкритими, ретельно досліджувати дані - і шукати несподіваного", - додає фізик.

Прогалина тяжіння

Без відповіді залишаються й інші запитання. Скажімо, в Стандартній моделі взагалі відсутнє тяжіння.

"У цій чашці немає тяжіння, - каже доктор Голдфарб, показуючи на сувенір ВАК з нанесеним на нього рівнянням моделі. - Це дратує! Але пояснення ми не маємо".

В науці завжди існуватиме прагнення розбити те, що ми вважаємо найдрібнішим у світі, і знайти щось ще менше.

Доктор Голдфарб називає це "найдавнішою фізикою" і просить уявити печерну жінку, першого фізика, яка вдаряє каменем об камінь, щоби подивитися, що там у нього всередині.

"Ми і досі цим займаємося, ми і досі хочемо зазирнути всередину, - каже він. - Немає нічого, що б спростувало гіпотезу, що електрони чи кварки складаються із ще чогось. Ми їх називаємо фундаментальними, бо не знаємо нічого меншого".

Додаткова енергія другого кола експериментів Великого адронного колайдера може дати відповідь на допитливість фізиків. Як каже доктор Андре Давід, що більша сила таких зіткнень, тим менші частинки можуть утворитися.

"Кінцева мета - зрозуміти, з чого складається матерія", - каже дослідник.

І найбільша в світі наукова лабораторія не просто відремонтована, але й модернізована для того, щоб виконати нові завдання і зробити нові відкриття.

"Це немов ви поставили корабель у сухий док і замінили на ньому кожну дощечку, - з гордістю каже Андре Давід. - Це вже не той самий корабель. Це корабель новий, і він вирушає в нову подорож".