Телескоп во льдах. Как на Южном полюсе рождалась новая астрономия
Шрифт:
Интересно, что у книги не было обновленных переизданий, и в этом звучит ясное послание: печальная истина состоит в том, что с момента ее написания в физике частиц не произошло никакого существенного развития. К моменту публикации книги все частицы, предсказанные стандартной моделью, за исключением одной (бозона Хиггса), уже были открыты.
Халзен и Мартин завершили работу над рукописью в Дарнэме незадолго до Рождества 1982 года. Затем Фрэнсис отправился в Бельгию, чтобы провести праздник со своей семьей. Рукопись лежала рядом с ним на пассажирском сиденье его «фольксвагена сирокко». После праздника он полетел в Японию, чтобы помочь с запуском программы для аспирантов Токийского университета, а когда он сошел с самолета, ему сообщили, что Карло Руббиа, Дейву Клайну и их коллегам в ЦЕРН удалось открыть W- и Z-бозоны – переносчики слабого взаимодействия (Халзен, Мартин и Вернон Баргер проделали важную феноменологическую работу, позволившую совершить это открытие, и Руббиа признал их вклад в своей нобелевской лекции234).
W и Z были последними из еще не открытых к тому моменту частиц в стандартной модели, за исключением бозона Хиггса, но они – а также частица Хиггса – уже были описаны в учебнике.
Таким образом, в начале 1983 года, больше трех десятилетий назад, физики, работавшие с ускорителями, поняли, что вступают в своего рода пустыню: единственным возможным открытием на горизонте была частица Хиггса, но для ее открытия требовался намного более мощный ускоритель – и намного более дорогой, – чем тот, благодаря которому Руббиа принес ЦЕРН первую Нобелевскую премию. Между сообществами физиков США и Европы начала ощущаться нездоровая конкуренция. Американцы начали проектировать Сверхпроводящий суперколлайдер (программа, которая в конце концов завершилась дырой в техасской прерии, в которую ухнули два миллиарда долларов). А европейцы во главе с прославившимся теперь Руббиа начали строительство Большого адронного коллайдера. По изначальному плану Руббиа строительство должно было завершиться в 1991 году, но коллайдер начал свою работу лишь с двадцатилетним опозданием.
За 30 с лишним лет, прошедших с момента открытия частиц W/Z, сообщество, занимавшееся физикой частиц, отчаянно искало экспериментальные свидетельства для любого развития физики за пределами стандартной модели. Самые очевидные надежды были связаны с суперсимметрией, предполагавшей наличие тяжелых «братьев» и «сестер» для каждой частицы в модели, а также теорией струн, вряд ли способной на какие-либо экспериментальные прогнозы. Руббиа, Клайн и их друзья занимались поисками суперсимметричной частицы уже в начале 1980-х, в процессе изучения W и Z (можно даже сказать, что их больше интересовала суперсимметрия, чем частицы, которые они в итоге нашли), – однако эти поиски не увенчались успехом235. Поэтому в наши дни ученым, управляющим Большим адронным коллайдером, остается разводить руками. Основную надежду им, как и их предшественникам 30 с лишним лет назад, приходится возлагать на суперсимметрию.
Хотя открытие частицы Хиггса в 2012 году и стало огромным триумфом, на момент написания этой книги деятельность БАК и данные, которые получают с его помощью, не сулят нам никаких новых сюрпризов. Все происходящее соответствует стандартной модели. Как писал Гэри Тобес, автор книги Nobel Dreams, в 1986 году,
если в этой пустыне нет никакой жизни, никаких новых частиц, то вряд ли у нас появится больше свидетельств, на базе которых мы могли бы выстроить новые теории. Прогресс завершится. Стандартная модель останется стандартной еще на долгие годы.
Как я уже указал в первой главе этой книги, на данный момент был вскрыт всего один замок на сундуке стандартной модели – замок, связанный с поведением нейтрино. Более того, он был открыт не на ускорителе, а с помощью подземного грейзеновского детектора нейтрино и UNDINE. Чуть позже я расскажу об этом подробнее.
Одно из прозвищ Фрэнсиса Халзена – «самое быстрое перо на Западе». Впервые он погрузился в область нейтринной астрономии в свободное время в ходе своей поездки на Гавайи в 1980 году. Он предоставил теоретическую работу236 на крупный симпозиум DUMAND 237, организованный тем же летом Джоном Лёрндом в Гонолулу. В работе содержались расчеты количества и спектра энергии мюонов, которые данный инструмент мог найти в высокоэнергетических космических лучах.
В симпозиуме участвовали и другие теоретики, в том числе выдающиеся русские ученые. Одна из целей Лёрнда состояла в том, чтобы создать у профессионального сообщества заинтересованность, а теоретическая работа, опирающаяся на эксперимент, обычно в таких случаях помогает. Однако Джон думает, что Фрэнсис подержал DUMAND не только своей феноменологической работой, но и тем, что постоянно рассказывал о DUMAND в ходе своих многочисленных выступлений по всему миру. Это – важная форма научного «перекрестного опыления», поскольку в ходе таких путешествий все участники могут узнать что-то новое. Боб Морс говорит:
Фрэнсис наверняка пришел бы в бешенство, услышав эти мои слова, но ведь Фрэнсис – это наш новый Дейв Клайн. Дейв так же мотался туда и сюда, подлетал к каждому цветку, переносил с собой пыльцу, разбрасывал ее повсюду, а затем делился с нами новостями. Фрэнсис делает то же самое.
К сожалению, тонкие ростки сотрудничества, начавшие пробиваться в годы холодной войны, вскоре были грубо выдернуты из земли. В декабре 1979 года, менее чем за месяц до начала финансирования DUMAND, СССР вторгся в Афганистан, а после президентских выборов в США в ноябре 1980 года Джимми Картера сменил более воинственный Рональд Рейган. Артур Робертс рассказывает, что
разрыв связей с русскими был произведен элегантно и в хорошем стиле238. Нам конфиденциально сообщили, что мы, конечно, вольны выбирать себе партнеров, но при продолжении работы с советскими учеными может оказаться так, что для нас не найдется финансирования.
«Мы держали каналы открытыми и оставались друзьями, – добавляет Лёрнд, – однако больше не могли работать вместе». Возможно, для русских эта неприятность обернулась большим благом.
Глава 6
Наука в своем лучшем виде
Участники проекта DUMAND сразу начали мыслить масштабно (возможно, слишком масштабно). Изначальная концепция требовала создания массива детекторов объемом 1,6 кубических километра, расположенного в Тихом океане на глубине пяти километров, в 30 км от ближайшего берега. Он должен был состоять из 1200 с лишним «бисерных нитей», по 18 оптических детекторов на каждой, то есть всего более 23 000 детекторов. Каждая «бусина» представляла собой стеклянную сферу, способную выдерживать давление в 500 атмосфер. Внутри сферы располагался фотоэлемент и связанная с ним электроника. Стоимость одних лишь фотоэлементов достигала 70 миллионов долларов239. Нити должны были удерживаться у дна океана с помощью якорей и оставаться вытянутыми с помощью поплавков в их верхней части. В проекте планировалось использовать оптико-волоконные кабели для передачи электрических сигналов на берег, хотя на тот момент необходимая технология еще не была изобретена. Артур Робертс отмечает, что «океанографы были просто поражены – этот проект был в сотни раз масштабнее любого другого мирного океанского проекта»240.
В конце концов участникам DUMAND так и не удалось закрепить хотя бы одну функционирующую нить на дне океана. Первая была утеряна в 1982 году, когда при погружении в воду не выдержал кабель, на котором держались детекторы (несмотря на то, что он был рассчитан на в 20 раз б'Oльшую нагрузку). Причиной аварии стала так называемая нагрузка рывком (snap loading): если троc с детекторами уже находится на определенной глубине и в этот момент судно-кабелеукладчик вдруг резко поднимается на волне, трос не успевает подняться за ним, поскольку сферы оптических модулей испытывают сильное сопротивление воды – примерно так же, как обычный якорь241. Вторую нить потеряли в 1985 году, «когда не сработали взрывающиеся болты, которые должны были освободить ее в конце запланированного срока пребывания на дне океана»242.
Столкнувшись с реалиями глубоководной гидроинженерии и резким ростом издержек, изначально запланированный рабочий объем проекта начал быстро уменьшаться (одна из глав истории проекта, написанной Робертсом, называется «Невероятно усыхающий массив»). Исследователи разработали запасные концепции меньшего размера – MICRO, MINI и MIDI DUMAND, самая маленькая из этих конструкций состояла всего из 19 нитей.
Министерство энергетики с присущей ему мудростью профинансировало лишь одно технико-экономическое исследование по проекту. В 1982 году министерство отвергло предложение строить массив из 36 нитей и рекомендовало вместо этого обойтись лишь одной нитью, которая к тому же должна была просто свешиваться с палубы корабля, а не стоять на якоре на дне океана. Через семь лет после старта проекта, в 1987 году, наконец удалось установить так называемую короткую нить-прототип243, состоявшую всего из семи оптических модулей, и начать эксперимент, по сути дела, бывший более раскрученной версией экспериментов, которые Лёрнд проводил для своей диссертации еще 20 лет назад. В результате было собрано 38 часов данных, полученных на пяти разных глубинах, от 2 до 4 км, и демонстрировавших зависимость интенсивности направленных вниз атмосферных мюонов от глубины244. Также получилось создать примерный профиль углового распределения мюонов. Министерство энергетики посчитало это достаточным успехом для того, чтобы профинансировать в 1989 году создание массива из девяти нитей (этот проект назывался DUMAND-II).