Розділ без назви (33)

Кожен із двох найбільших детекторів, ATLAS та CMS, був збудований спільними зусиллями понад двох тисяч науковців. Загалом у спорудженні машини та її детекторів брали участь більш ніж десять тисяч науковців та інженерів із понад сотні країн. Візьмемо менший із двох детекторів, CMS. Він сягає понад двадцять метрів завдовжки, п’ятнадцять метрів заввишки та п’ятнадцять метрів завширшки. На виготовлення детектора пішло 12 500 тонн заліза — більше, ніж на Ейфелеву вежу. Коли детектор проходить огляд, його половини розходяться на кілька метрів. Попри те, що в них немає коліс, коли ввімкнути потужне магнітне поле детектора в разі розведення половин, то їх притягне одна до одної.

Кожний детектор складається з мільйонів деталей: датчиків, здатних вимірювати траєкторії частинок із точністю до десятимільйонних часток метра; калориметрів, що з високою точністю фіксують накопичену в детекторах енергію; та приладів для вимірювання швидкості частинок шляхом вимірювання випущеного ними у випадку проходження крізь детектор випромінювання. У ході кожного зіткнення можуть породжуватися сотні або й тисячі окремих частинок, і для реконструкції кожної такої події детектор повинен відстежувати майже всі породжені частинки.

Четвертим генеральним директором ЦЕРН у 1961–1966 роках був фізик Віктор Вайскопф, який порівнював тогочасні велетенські прискорювачі з готичними соборами середньовічної Європи. Це порівняння є напрочуд цікавим у випадку ЦЕРН та LHC.

Готичні собори були вершиною тогочасних технологій, вимагаючи створення нових методів будівництва та нових інструментів. Сотні й навіть тисячі вправних майстрів із десятків країн будували їх впродовж багатьох десятиліть. На їхньому тлі всі інші збудовані досі споруди здавалися карликовими. І будували їх із дуже «практичною» метою звеличення слави Божої.

LHC — найскладніша з усіх коли-небудь збудованих машин, і вона вимагала створення нових методів будівництва та нових інструментів. Побудова прискорювача та детекторів для моніторингу його роботи вимагала спільних зусиль тисяч науковців та інженерів із докторськими ступенями, які були уродженцями сотень країн, розмовляли кількома десятками мов та походили з культур, що сповідували щонайменше стільки ж релігій — і їм знадобилося майже два десятиліття, щоб завершити цю роботу. На тлі його масштабів усі інші збудовані досі машини здаються карликовими. І зводили його з дуже «практичною» метою — звеличення й дослідження краси природи.

З цієї точки зору і собори, і колайдер є пам’ятниками найкращій рисі людської цивілізації — здатності та волі до вигадування й спорудження об’єктів такого масштабу та складності, які вимагають співпраці незліченної кількості людей, якщо потрібно, з усіх куточків світу заради перетворення нашого благоговіння та захоплення устроєм космосу на щось конкретне, здатне покращити умови людського існування. Колайдери й собори є витворами порівняної величі, що звеличують людський досвід у різних сферах. Утім, на мою думку, LHC виграє, і його успішне спорудження впродовж двох десятиліть яскраво демонструє, що ХХІ століття поки що не позбавлене культури та уяви.

Це нарешті виводить мене на стежку, яка веде до 4 липня 2012 року.

Станом на 2011 рік, за висловом одного з посадовців ЦЕРН, LHC розвинув крейсерську швидкість. Обсяг даних, зібраних станом на жовтень того року, уже в чотири мільйони разів перевищував обсяг, зібраний упродовж першого запуску у 2010 році, та в тридцять разів — обсяг, накопичений на початок 2011 року.

На цьому етапі збору даних, на які фізики чекали сорок років, спільнотою почали поширюватися різні чутки. Джерелами багатьох із них були самі ж експериментатори. Я працюю на півставки в Австралійському національному університеті в Канберрі, і в липні 2012 року в Мельбурні мала проходити Міжнародна конференція з фізики високих енергій. Мельбурнська LHC-спільнота вельми велика, тож під час відвідин цього міста я постійно чув, що в ході експериментів викреслюється все більша й більша частина діапазону можливих мас бозона Хіггса.

Багатьом експериментаторам гріє душу можливість довести, що теоретики помилися. Так було й цього разу. Менш ніж за шість місяців до конференції одна експериментаторка захоплено розповідала мені, що вони відкинули майже весь можливий діапазон маси бозона Хіггса за винятком вузенького сегмента між 120 і 130 масами протона. Вона сподівалася, що до липня їм вдасться відкинути й цей сегмент теж. Оскільки я був одним із тих, хто скептично ставився до ідеї Хіггса, почув це не без задоволення. Але хай там як, я активно готував статтю, у якій пояснював, чому частинка Хіггса не може існувати.

П’ятого квітня ситуація стала ще цікавішою, оскільки енергія центра мас пучка LHC трохи зросла, досягши позначки у 8 тисяч енергій спокою протона. Це означало збільшення потенціалу для відкриття нової частинки. У середині червня було оголошено, що очільники двох головних експериментів разом із генеральним директором ЦЕРН не приїдуть до Мельбурна на конференцію, а натомість оголошуватимуть результати вранці 4 липня дистанційно в рамках телеконференції, влаштованої в головній конференц-залі ЦЕРН — тій самій, де Руббіа оголосив про відкриття W-частинок.

Четвертого липня я був на зустрічі фізиків в Аспені, штат Колорадо. З огляду на важливість прийдешнього оголошення, тамтешня фізична спільнота облаштувала екран для прямої телевізійної трансляції, аби о 1-й годині ночі ми всі змогли сісти та спостергіати, як твориться історія. У темній кімнаті в Аспенівському фізичному центрі нас зібралося п’ятна­д­цяте­ро — переважно фізики, проте було й кілька журналістів, серед них Денніс Овербай із «New York Times», свідомий того, що йому доведеться писати до глупої ночі. Мені, як виявилося, теж. «Times» попросили мене написати есе для наступного випуску розділу «Science Times» у разі, якщо все пройде, як очікували.

А тоді почалося шоу, і впродовж наступних 45 чи десь так хвилин доповідачі презентували дані з обох великих детекторів, які переконливо засвідчували існування нової елементарної частинки з масою приблизно 125 мас протона. Після стартової катастрофи 2009 року LHC, і зокрема обидва його детектори, працював неомильно. Упродовж перших місяців його роботи мене й багатьох моїх колег вразила бездоганна чіткість результатів, показаних детекторами щодо відомих фонових процесів. Тож нас зовсім не здивувало, що з появою чогось нового детектори виявляли його, навіть попри неймовірно складне середовище, у якому їм доводилося працювати.

Мало того, шукану частинку було виявлено саме в тих каналах розпаду, які були передбачені для бозона Хіггса Стандартної моделі. Відношення розпадів на фотони (через проміжні правдиві кварки чи W-бозони) до розпадів на частинки на кшталт електронів (через проміжні Z-бозони) більш-менш відповідало передбаченням, як і обсяги породження нових частинок у протонно-­протонних зіткненнях. Серед проаналізованих на той момент двома детекторними командами мільярдів і мільярдів зіткнень було виявлено близько п’ятдесяти кандидатів на утворення бозона Хіггса. Для більш певної ідентифікації було необхідно провести ще багато перевірок, проте якщо воно ходило, як бозон Хіггса, і крякало, як бозон Хіггса, це, імовірно, був бозон Хіггса. Докази були достатньо переконливі, щоб у жовтні 2013 року, у перший же рік після проголошеного відкриття, Франсуа Анґлеру й Пітеру Хіггсу було присуджено Нобелівську премію.

У лютому 2013 року LHC вимкнули й модифікували так, щоб він нарешті міг працювати з передбаченою проектом енергією та світлосилою. В останні тижні перед вимкненням системи збереження даних великої ємності ЦЕРН накопичили понад сто петабайтів даних — це більше інформації, ніж можуть умістити 100 мільйонів компакт-дисків. На основі даних, які ще не були проаналізовані на момент першого оголошення, надходили все нові й нові результати (зокрема вкрай інтрижні натяки на можливе існування нової та неочікуваної важкої частинки, ушестеро важчої за бозон Хіггса, — натяки, які розвіялися перед самим відправленням цієї книги в тираж).

У випадку справжнього відкриття чим більше у вас даних, тим краща картина, тоді як аномальні результати схильні з плином часу зникати. Цього разу картина була дуже гарна, майже занадто гарна. Якщо порівняти п’ять різних передбачених каналів розпаду на фотони, Z-частинки, W-частинки, тау-частинки (найважчий відомий побратим електрона) та частинки, що містять чудові кварки, з результатами спостережень, то виявиться, що передбачення бозона Хіггса згідно зі Стандартною моделлю без додаткових складових виявилися разюче точними.

Виходячи з кутового розподілу та енергій продуктів розпаду й на основі нової більшої вибірки подій-кандидатів на утворення бозона Хіггса, детектори LHC дістали змогу дослідити, чи була виявлена частинка скалярною, що зробило б її першим коли-небудь виявленим у природі фундаментальним скаляром. 26 березня 2015 року детектор ATLAS у ЦЕРН видав результати, які з більш ніж 99-відсотковою упевненістю свідчили, що нова частинка була частинкою з нульовим спіном і точно таким значенням парності, яке відповідало скаляру Хіггса. Природа довела, що, усупереч, зокрема, моїм переконанням, вона не цурається скалярних полів на кшталт поля Хіггса. Існування такого фундаментального скаляра багато що змінює в плані того, що взагалі можливе в природі, і люди, зокрема я, почали розглядати сценарії, які доти нізащо не спали б нам на думку.

У вересні 2015 року, приблизно за місяць до закінчення першого чорнового рукопису цієї книги, два великі детектори ATLAS та CMS об’єднали свої дані за 2011 і 2012 роки та вперше презентували уніфіковане порівняння теорії з експериментом. Результат, що вимагав титанічних обчислювальних зусиль для врахування в кожному експерименті окремих систематичних впливів, які сумарно описувалися чотирмастами два­дцятьма параметрами, засвідчив із залишковою невизначе­ністю близько 10 %, що нова частинка мала всі властивості, передбачені для бозона Хіггса в рамках Стандартної моделі.

Цей простий висновок може здатися нудним на тлі всього, що йому передувало, а це півстоліття цілеспрямованих зусиль тисяч людей: теоретиків, які розробили Стандартну модель, та всіх інших, хто виконував неймовірно складні розрахунки, необхідні для порівняння передбачень із даними експериментів, визначення фонових величин тощо, а також тисяч фізиків-експериментаторів, які збудували, відтестували та керували найскладнішою з будь-коли збудованих машин. Їхня оповідь супроводжувалася досягненням неймовірних висот інтелектуальної мужності, роками збентеження, невезінням та проникливістю, суперництвом та пристрастю, а понад усе — наполегливістю спільноти, зосередженої на єдиній меті: зрозуміти природу в її найфундаментальніших масштабах. Як усіляка людська драма, вона містила свою частку заздрощів, упертості та марнославства, проте, що найважливіше, у ній брала участь унікальна спільнота, що склалася абсолютно незалежно від етнічної належності, мови, релігії чи статі. Це оповідь, що несе в собі драматизм найкращих епосів та є відображенням усього найкращого, що тільки здатна запропонувати сучасній цивілізації наука.

Мене не перестане вражати той факт, що природа виявилася настільки милостивою, щоб насправді послуговуватися ідея­ми, які записала на папері невеличка група людей, котрі черпали натхнення з абстрактних ідей симетрії та послуговувалися математикою квантової теорії поля. Украй важко висловити ту суміш захоплення та жаху, яка супроводжує усвідомлення, що природа, не виключено, працює саме так, як ти припускаєш, вносячи останні штрихи до своєї статті, імовірно, глупої ночі сам-один у своєму кабінеті. Гадаю, це може бути схожим на описану Платоном реакцію його нещасних філософів, коли їх уперше витягають на сонце з їхньої печери.