Детектор БАК-f, самый маленький на БАК, питается остатками трапезы АТЛАСа. Он отстоит примерно на 150 м от точки столкновения АТЛАСа и, подобно вратарю, ловит частицы, родившиеся в лобовом соударении протонов. Его задача - оценивать качество различных детекторов космических лучей. Над ней работают несколько десятков ученых из шести стран.
Наконец мы добрались до ТОТЕМа. Этот длинный тонкий детектор напрямую подсоединен к трубке БАК, где бегает пучок. Ему предстоит проводить прецизионные измерения сечений протонов (их эффективных размеров). ТОТЕМ расположен на расстоянии примерно 215 м от детектора CMS и состоит из набора кремниевых дорожек, помещенных в восемь специальных вакуумных камер, в так называемые римские горшки. С помощью этой установки экспериментаторы смогут найти, как меняется угол отклонения в зависимости от прицельного параметра протонов в пучке. Коллаборация ТОТЕМ насчитывает свыше 80 исследователей из и институтов, расположенных в восьми странах.
Члены каждого научного коллектива регулярно собираются, чтобы обсудить успехи того или иного проекта. Особенно это касается крупных детекторов, где требуется отдельная калибровка многочисленных узлов и постоянный контроль их исправности.
Входящие в одну коллаборацию ученые все время уведомляют друг друга о результатах испытаний, чтобы предупредить возможные сбои.
Одна из проблем, которая наиболее актуальна для сложных детекторов, - как устранить взаимное влияние различных узлов друг на друга. Например, электронные приборы имеют свойство создавать помехи для окружающих устройств. Сверхсильное магнитное поле - тоже не самый приятный сосед, и подчас довольно агрессивный. Подтверждение тому - случай, произошедший на испытаниях АТЛАСа в ноябре 2007 г. Один из тороидальных магнитов закрепили недостаточно прочно, и он после включения тока сдвинулся на несколько сантиметров к калориметру заглушки. К счастью, все обошлось. Если поломка происходит в герметично закрытой секции, чаще всего нет иного способа ее устранить, кроме как, нарушив герметичность, попасть внутрь. Такая возможность предоставляется, как правило, во время технических перерывов на БАК - скажем, в зимний период.
«Технические люди», то есть сотрудники, ответственные за планирование и исправную работу ускорителей, проводят свои собственные совещания. Их первоочередная задача - отладить и довести до совершенства функционирование научного комплекса как целого. В частности, на одном из первых мест в их повестке стоит поддержание магнитного поля в диполях, квадруполях и других магнитах ускорителя на оптимальном уровне.
Если магнитное поле и энергию наращивать до высоких значений слишком быстро, это приводит к ужасным последствиям, а именно происходит обжиг. Другими словами, из-за внутренних колебаний отдельные детали перегреваются и разрушают сверхпроводящее состояние. В итоге магнит становится обычным проводником, и его поле падает до неприемлемо низких значений. Чтобы избежать этих никому не нужных проблем, проводят так называемую закалку: интенсивность магнитного поля сначала медленно увеличивают, потом чуть-чуть понижают, затем снова увеличивают и так далее. Процесс чем-то напоминает наши действия перед купанием в горячей ванне: сначала потихоньку пробуешь воду и ногу отдергиваешь, потом снова погружаешь - и так пока не привыкнешь к поначалу обжигающему теплу.
Как научная, так и техническая команды полностью осведомлены о пределе возможностей БАК. У каждого аппарата есть присущие ему ограничения, связанные с его конструкцией. Скажем, из-за конечной фокусирующей способности магнитов светимость пучков не превышает некоторого значения. Экспериментаторы и инженеры имеют это в виду и заранее думают о том, как прибор можно усовершенствовать. Примечательно, что пока одни члены коллаборации готовят и проводят текущие эксперименты, другие в это время набрасывают возможные схемы модернизации детекторов и ускорителей на много лет вперед. Планируемое увеличение светимости, могущее вывести БАК на качественно новый уровень, активно обсуждается уже сейчас. Современная физика элементарных частиц не может позволить себе жить только сегодняшним днем. Часть научной группы решает насущные проблемы, а часть должна думать о проблемах, которые возникнут завтра или через несколько десятилетий.
За всеми этими приготовлениями ученые стараются не потерять из виду леса. Казалось бы, пройдут года, прежде чем они воочию увидят плоды своих трудов, но для истории науки, насчитывающей тысячелетия, это ничто. Обнаружение бозона Хиггса и/или открытие суперсимметричных партнеров может определить развитие всей теоретической физики на десятилетия вперед. Еще одна область, которой открытий БАК не хватает, как воздуха, - это астрономия. Астрономы надеются, что прогресс в физике элементарных частиц поможет им раскрыть величайшую тайну небесного мира: из чего состоят темная материя и темная энергия - субстанции, на которые реагирует светящееся вещество, но которые сами тщательно скрывают свою природу и происхождение?
Темными дорогами. Загадки темной материи и темной энергии
Думаю, я здесь выражу настрой целого поколения людей, которые ищут частицы темной материи с тех самых пор, когда были еще аспирантами. Если БАК принесет дурные вести, вряд ли кто-то из нас останется в этой области науки.
Хуан Кояр, Институт космологической физики им. Кавли, «Нью-Йорк Таймс», 11 марта 2007 г.
Один из срочных вопросов, на которые БАК, возможно, даст ответ, далек от теоретических измышлений и имеет самое что ни на есть прямое отношение к нам. Вот уже несколько десятилетий астрономия силится разгадать трудную загадку. Если подсчитать всю массу и энергию в космосе, оказывается, что львиная доля материи скрыта от наших глаз. По современным подсчетам, светящееся вещество составляет всего 4% от полного количества материи во Вселенной. В эту жалкую долю входит все, что сделано из атомов: от газообразного водорода до железных ядер планет вроде Земли. Примерно 22% приходится на темную материю, компоненту вещества, которая не излучает электромагнитных волн и дает о себе знать только посредством своего гравитационного поля. Наконец, современные данные говорят, что 74% находится в форме темной энергии, материи неизвестной природы, заставляющей Вселенную расширяться ускоренно. Одним словом, Вселенная - это несобранная мозаика. Может быть, недостающие кусочки поможет найти БАК?
Гипотезы о скрытой материи начали высказываться задолго до того, как эта проблема была признана широкой научной общественностью. Первые подозрения о том, что помимо видимого вещества Вселенную в узде держит нечто еще, появились в 1932 г. Голландский астроном Ян Оорт подсчитал, что звезды во внешних областях галактик двигаются так, будто на них действует гораздо большее тяготение, чем то, которым обладает наблюдаемая материя. Млечный Путь по сути своей похож на гигантскую карусель с лошадками. Звезды вращаются вокруг галактического центра, одни чуть ближе, а другие чуть дальше от диска Галактики. Оорт измерил их скорости и нашел, какой должна быть гравитационная сила Млечного Пути, чтобы она удерживала звезды вблизи галактической плоскости и не давала Галактике рассыпаться. Зная эту силу, Оорт оценил полную массу нашей звездной системы (эта величина сегодня известна как предел Оорта). Результат оказался неожиданным: она была в два раза больше наблюдаемой массы излучающих свет звезд.
В следующем году физик болгарского происхождения Фриц Цвикки, работавший в Калтехе, независимо исследовал, сколько нужно гравитационного «клея», чтобы удержать вместе богатое скопление галактик в созвездии Волосы Вероники[25]. Расстояния между галактиками в группе большие, из-за чего Цвикки и получил для гравитационной силы большую величину. По ней можно было посчитать количество материи, необходимой, чтобы такую силу создать. Цвикки изумился, увидев, что оно в сотни раз превосходит массу видимого вещества. Похоже, эта объемистая структура стояла на замаскированных подпорках, которые одни только и могли ее удержать в устойчивом состоянии.
В 30-х гг. XX в. ученым о Вселенной мало что было известно, если не считать обнаруженного Хабблом расширения. Даже представление о других галактиках как об «островных вселенных», подобных Млечному Пути, находилось в зачаточном состоянии. Неудивительно, что при таком младенческом возрасте физической космологии на необыкновенные открытия Оорта и Цвикки почти никто не обратил внимания. Прошли годы, прежде чем астрономы осознали их значение.
Теперешним интересом к темной материи мы обязаны смелости молодой Веры Купер Рубин, которая вопреки всем предрассудкам того времени (на женщин-астрономов тогда смотрели искоса) решила заняться астрономией. Рубин родилась в Вашингтоне, округ Колумбия, и с детства засматривалась из окна своей комнаты на звезды. Любила читать книжки по астрономии, особенно биографию Марии Митчелл, получившей международное признание благодаря открытию кометы. Путь Веры Рубин к своей мечте нельзя назвать легким: астрономическое сообщество напоминало в те годы закрытый клуб с яркой табличкой на двери «Женщинам вход воспрещен».
