Читаем без скачивания Закрученные пассажи: Проникая в тайны скрытых размерностей пространства. - Лиза Рэндалл

Перенесемся ненадолго из равнин Иллинойса в гористую Швейцарию, где находится ЦЕРН[108]. Предсказания Стандартной модели проверялись во многих экспериментах, но самыми впечатляющими были эксперименты, проделанные между 1989 и 2000 годами на Большом электрон-позитронном коллайдере (LEP или по-русски ЛЭП), находящемся в ускорительном центре ЦЕРНа. Место для ЦЕРНа было выбрано за его центральное положение в Европе. Главный вход в ЦЕРН находится так близко к границе Франции, что разделяющая две страны сторожевая находится стоит почти рядом с ним. Многие работники ЦЕРНа живут во Франции и дважды в день пересекают границу. При этом они редко испытывают неудобства, разве что их автомобиль не удовлетворяет швейцарским стандартам и Швейцария не разрешает им въезд в страну. Единственная другая опасность, как может подтвердить один коллега — быть рассеянным. Охрана задержала и обыскала этого профессора, когда он не остановился на границе, так как был поглощен мыслями о черных дырах.

Трудно придумать большую разницу в местоположении ЦЕРНа и Фермилаба. ЦЕРН находится по соседству с прекрасными горами Юры (рис. 55), у подножия Монблана, высочайшей горы в Европе, и от него можно быстро доехать до Шамони — замечательной долины, пролегающей между горами, покрытыми ледниками, которые спускаются практически к самой дороге (хотя все ниже и ниже из-за глобального потепления). Многие физики, которым повезло работать в ЦЕРНе, всю зиму ходят с загорелыми лицами, несмотря на постоянные облака над городом, так как у них есть возможность проводить время, катаясь на лыжах, сноубордах или ходить по горам.

ЦЕРН был основан после Второй мировой войны в атмосфере зарождающегося международного сотрудничества. Первыми двенадцатью членами организации стали Западная Германия, Бельгия, Дания, Франция, Италия, Греция, Норвегия, Великобритания, Швеция, Швейцария и Югославия (вышла в 1961 году). Затем к этим странам присоединились Австрия, Испания, Португалия, Финляндия, Польша, Венгрия, Чехословакия и Болгария. Страны-наблюдатели, участвующие в деятельности ЦЕРНа, включают Индию, Израиль, Японию, Российскую Федерацию, Турцию и США. ЦЕРН — поистине международное предприятие.

Как и за Тэватроном, за ЦЕРНом числится много достижений. В 1984 году Карло Руббиа и Симон ван дер Меер получили Нобелевскую премию за создание в ЦЕРНе уникального коллайдера и открытие слабых калибровочных бозонов — этот успех разрушил монополию США на открытия в мире элементарных частиц. Именно сотрудник ЦЕРНа англичанин Тим Бернерс-Ли выдвинул идею Всемирной паутины (WWW), HTML (Hypertext Markup Language) и http (hypertext transfer protocol). Паутина была создана так, что многие экспериментаторы из стран-участниц могли быть одновременно подключены к информации, причем данные могли быть поделены между многими компьютерами. Конечно, последствия создания паутины вышли далеко за пределы ЦЕРНа — часто трудно предвидеть практические применения научного исследования.

В ближайшие несколько лет ЦЕРН будет средоточием ряда самых волнующих физических достижений. Там вступит в строй Большой адронный коллайдер [109], на котором можно будет достичь энергии ускоренных частиц в семь раз большей текущей энергии Тэватрона. Любое открытие, сделанное на БАК, почти неизбежно будет качественно новым. В экспериментах на БАК будут искать, и, скорее всего, обнаружат неизвестную до сих пор физику, лежащую в основе Стандартной модели, которая подтвердит или опровергнет модели типа тех, которые я описываю в этой книге. Хотя коллайдер находится в Швейцарии, БАК будет поистине интернациональным проектом; в настоящее время эксперименты для БАК разрабатываются во всем мире.

Но вернемся в 1990-е годы, когда физики и инженеры смогли построить в ЦЕРНе невероятный Большой электрон-позитронный коллайдер ЛЭП (LЕР) — фабрику Z-бозонов, производившую миллионы Z. Калибровочный Z-бозон — это один из трех калибровочных бозонов, переносящих слабые взаимодействия. Изучив миллионы Z, экспериментаторы на ЛЭП (а также в Станфордском линейном ускорительном центре SLАС в Пало-Альто, Калифорния) смогли осуществить очень точные измерения свойств Z-бозона и с невероятной точностью протестировать предсказания Стандартной модели. Мы бы слишком далеко отклонились от своего пути, если бы я стала детально описывать каждое из этих измерений, но я задержусь на мгновенье, чтобы дать вам ощущение, какая поразительная точность была достигнута в этих экспериментах.

Основное допущение, лежавшее в основе проверки Стандартной модели, было очень простым. Стандартная модель предсказывает массы слабых калибровочных бозонов, а также распады и взаимодействия фундаментальных частиц. Можно проверить согласованность теории слабых взаимодействий, если убедиться, что все соотношения между этими многочисленными величинами удовлетворяют теоретическим предсказаниям. Если бы существовала новая теория с новыми частицами и новыми взаимодействиями, которые стали бы важными при энергиях вблизи масштаба слабых взаимодействий, то возникли бы новые вклады, которые могли бы привести к отклонению предсказаний теории слабых взаимодействий от их значений в рамках Стандартной модели.

Таким образом, в моделях, выходящих за рамки Стандартной модели, получаются предсказания для свойств Z-бозона, слегка отличающиеся от тех, которые даются самой Стандартной моделью. В начале 1990-х годов для предсказания проверяемых свойств Z-бозонов в этих альтернативных моделях все использовали чудовищно громоздкий метод. В этот метод было очень трудно вникнуть, а его описание занимало такое число страниц, что я еле унесла этот документ. В то время я работала ассистентом в Калифорнийском университете в Беркли. Летом 1992 года, когда я принимала участие в летнем совещании в Фермилабе, мне пришло в голову, что не может быть, чтобы связи между различными физическими величинами были столь громоздкими, как предполагалось этим многостраничным документом.

Вместе с Митчем Голденом, в то время ассистентом в Фермилабе, мы разработали более компактный способ интерпретации экспериментальных результатов в слабых взаимодействиях. Митч и я показали, как можно систематически включить эффекты новых тяжелых (до того времени не обнаруженных) частиц, добавляя в Стандартную модель всего лишь три новые величины, суммирующие все возможные вклады от моделей, отличающихся от Стандартной модели. Я провела несколько недель, пытаясь получить все это напрямую, и в конце концов интенсивная работа увенчалась успехом. Было необычайно приятно обнаружить, как можно элегантно связать все процессы, которые могут измерить Z-фабрики. Митч и я ощущали, что нам удалось разработать намного более элегантную картину связи теории и эксперимента. Все это доставляло большое удовлетворение. Однако мы не были одиноки в своем открытии. Одновременно с нами Майкл Пескин и его ассистент Такео Такеучи проделали аналогичную работу, и вскоре по нашему пути последовали другие ученые.

Но реальная история успехов относится к невероятно точным проверкам Стандартной модели на ускорителе ЛЭП. Я не буду вдаваться в детали, а расскажу две истории, которые продемонстрируют поразительную чувствительность экспериментов. Первая история касается установления точной энергии, при которой происходит соударение электронов и позитронов. Экспериментаторам необходимо было знать эту энергию, чтобы определить точное значение массы Z-бозона. Они учли все, что могло повлиять на значение этой энергии. Но даже после того как было учтено все, что только могло прийти в голову, они видели, что когда измерения проводились в определенное время, энергия частиц плавно увеличивалась и уменьшалась. Что было причиной вариаций?

Невероятно, но оказалось, что причиной были приливы в Женевском озере. Благодаря приливам и затяжным дождям в том году, уровень воды в озере то поднимался, то падал. Это, в свою очередь, оказывало влияние на окружающую местность, и в результате слегка изменяло расстояние, которое электроны и позитроны проходили в коллайдере. Как только приливный эффект был учтен, фиктивная зависимость массы Z от времени исчезла.

Вторая история также сильно впечатляет. Электроны и позитроны в коллайдере удерживаются на своих орбитах сильными магнитными полями, которые, в свою очередь, требуют большой затраты энергии. Периодически казалось, что электроны и позитроны слегка теряют регулировку, что указывало на небольшое изменение магнитных полей в коллайдере. Работник на ускорителе заметил, что эти вариации хорошо совпадают с прохождениями экспресса TGV Женева— Париж. По-видимому, возникали скачки мощности, связанные с постоянным током, которые слегка нарушали работу ускорителя. Работавший в ЦЕРНе физик из Парижа Ален Блондель рассказал мне самую забавную часть этой истории. Экспериментаторы получили реальную возможность с абсолютной достоверностью проверить эту гипотезу. Так как большинство служащих на TGV были французами, у них возникла неизбежная забастовка, так что экспериментаторы получили свободный от всплесков день!