Книга Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира - Шон Кэрролл

У настоящих ученых есть одна черта, в данном случае сработавшая против них, – стремление быть во всем точными и честными, часто в ущерб им самим. Опасения, что БАК может уничтожить мир, основывались на довольно серьезных, хотя и очень умозрительных, физических теориях. Если бы гравитация при высоких энергиях, развиваемых при столкновениях частиц в БАКе, оказалась гораздо сильнее обычной, там могли бы образоваться крошечные черные дыры. Все, что мы знаем из физики, говорит о том, что такая черная дыра безвредна и сразу испаряется. Но предположим, что это не так и БАК будет рождать черные дыры, они останутся стабильными и провалятся в Землю, доберутся до ее ядра и будут поедать ее изнутри, что с течением времени приведет к полному уничтожению планеты. Можно рассчитать, сколько времени для этого потребуется; ответ таков: намного больше, чем возраст Вселенной. Конечно, расчеты могут быть неверными. Но ведь и столкновения космических лучей высокой энергии должны производить крошечные черные дыры, причем по всей Вселенной. (БАК ничего не делает такого, что сама Природа не делает постоянно и повсеместно, но только при гораздо более высоких энергиях). И эти черные дыры должны были бы съесть и белые карлики, и нейтронные звезды, а мы в небе видим множество белых карликов и нейтронных звезд, так что и этот аргумент говорит о безопасности БАКа.

Надеюсь, вы уловили суть дела. Можно придумать огромное количество спекулятивных сценариев, кажущихся опасными, но при ближайшем рассмотрении наиболее опасные из них уже оказываются исключенными по другим соображениям. И все-таки, поскольку ученые любят точность, они скрупулезно разобрали множество различных «ужасов», прежде чем успокоить нас и заявить, что все они весьма маловероятны. Каждый раз, когда физики должны были сказать «невозможно», они обычно говорили «скорее всего невозможно, вероятность этого действительно очень малы», а это выражение имеет другую коннотацию.

(Блестящий пример иного – неуклончивого – ответа дал теоретик из ЦЕРНа Джон Эллис, когда ему на передаче The Daily Show был задан вопрос о том, каковы шансы уничтожения Земли БАКом; он ответил просто: «Нулевые».)

Представьте себе, что вы открываете холодильник и достаете банку томатного соуса, собираясь приготовить на ужин пасту. Прежде чем вы откроете банку, ваш друг-алармист хватает вас за руку и кричит: «Подожди! Ты уверен, что, открыв банку, ты не выпустишь мутантный патоген, который быстро распространится по Земле и уничтожит все живое?» Правда в том, вы действительно не можете быть уверены на все 100 %, что этого не случится. Есть всякие нелепые сценарии маловероятных несчастий, которые мы игнорируем в повседневной жизни. В принципе включение БАКа может запустить цепь событий, которые разрушат Землю, но многие события являются в принципе возможными, важно, являются ли они правдоподобными, а в нашем случае ни одно из них не правдоподобно.

Борьба против предсказателей конца света оказалась хорошей школой для физиков. Уровень общественного контроля за поисками бозона Хиггса был беспрецедентным. Ученым, которые умеют общаться с другими учеными, обсуждая абстрактные и весьма технические идеи, пришлось научиться четко и убедительно объяснять свою позицию неспециалистам. В долгосрочной перспективе это только пойдет науке на пользу.

Как это все делается

Одно из самых больших и частых заблуждений относительно результатов, получаемых в гигантских экспериментах по физике элементарных частиц, состоит в том, что многие не понимают, какой путь проделывают результаты от момента их получения до представления общественности. Это не простой путь. Традиционный способ обнародования научных результатов состоит в публикации статей в журналах, в которых принято независимое рецензирование. Это, конечно, верно и для статей, выходящих из коллабораций ATLAS и CMS, но сложность экспериментов приводит к тому, что в этом случае практически единственными квалифицированными рецензентами могут быть только сами члены коллаборации. Чтобы как-то исправить такое положение дел, каждая коллаборация создала чрезвычайно жесткую ограничительную процедуру, которую должны пройти новые результаты перед подачей в печать.

Тысячи сотрудников Большого адронного коллайдера в основном не являются штатными сотрудниками ЦЕРНа. Типичный работающий член коллаборации – это студент, профессор, или постдок (что-то среднее между кандидатом наук и старшим преподавателем), который работает в университете или лаборатории в любой стране мира и обычно проводит значительную часть года в Женеве. Чаще всего первым шагом к опубликованию статьи является вопрос, которым задается кто-то из физиков. Это может быть совершенно тривиальный вопрос типа «Существует ли бозон Хиггса?». А может что-то более абстрактное, например: «Действительно ли электрический заряд сохраняется?», «Есть ли еще какие-то поколения фермионов кроме трех известных?», «Могут ли столкновения частиц высоких энергий создать миниатюрные черные дыры?» или «Есть ли дополнительные измерения пространства?». Вопросы возникают, когда появляется новая теоретическая идея, необъяснимые странности в полученных данных или просто у самой машины возникают новые возможности. Экспериментаторы – люди, как правило, прагматичные, по крайней мере когда это касается их научной работы, и поэтому стремятся поставить такие вопросы, на которые надеются ответить, проведя тот или иной эксперимент БАКе.

Физики могут обсудить новую идею со своими коллегами и посоветоваться, стоит ли ею заниматься, если такая идея возникла у студента, он проконсультируется со своим научным руководителем, а если идею родил сам профессор, он может предложить студентам поработать над его гипотезой. Идеи, оказывающиеся перспективными, передаются в одну из «рабочих групп», имеющихся в каждой коллаборации. Разные рабочие группы занимаются разными направлениями исследований. Есть группа по «истинным кваркам», группа «Хиггсов» и группа «экзотиков». («Экзотики» изучают частицы, предсказанные некоторыми умозрительными теориями или не предсказанные никем вообще.) Рабочие группы обдумывают идею, после чего «конвинер» – координатор, который руководит группой, решает, стоит ли дальше заниматься данным конкретным вопросом. Экспериментаторы, чтобы предотвратить дублирование расчетов, ведут подробные записи на веб-страницах и описывают там каждый проводимый анализ – для этой цели и была изобретена Всемирная паутина.

Предположим, идея получила одобрение соответствующей рабочей группы и анализ продолжается. Время физика теперь делится между работой за компьютером и участием в совещаниях, как правило, это видеоконференции. Анализ почти никогда не бывает единственным делом экспериментатора: есть также работа с аппаратурой, контроль за отклонениями условий эксперимента от заданных условий, преподавание (или учеба), выступление с докладами, подача заявок на гранты, и, конечно, работа в комитетах и тысяча других академических глупостей, которые являются неотъемлемой частью университетской жизни. Иногда экспериментаторам разрешено побыть со своими семьями или погулять на солнышке, но такое легкомысленное времяпровождение сводится к минимуму.

И вот данные собраны и надежно хранятся на дисках в разных странах. Работа теоретика-аналитика состоит в том, чтобы превратить эти данные в осмысленный физический результат. Это редко делается простым поворотом рукоятки. Нужно отбросить некоторые точки, в которых или слишком большие шумы, или они не имеют отношения к данной проблеме, то есть сделать «обрезания». (Например, вам нужны только те события, в которых образуется две струи с полной энергией больше 40 ГэВ, а углом между струями не менее 300, остальные события вы выбрасываете.) Очень часто, чтобы добиться решения конкретной проблемы, приходится писать специальные компьютерные программы. Но пока нет возможности сравнить данные с разными теоретическими моделями, они, эти данные, еще не очень информативны, и тогда пишутся другие программы – нужно понять, как выглядели бы данные согласно этим моделям. Затем необходимо оценить фоновый шум, который угрожает заглушить ваш драгоценный сигнал, и для этого необходимо все время соотносить свои измерения с расчетами и другими измерениями.