Гонитба на Бога

Владимир ТИХОМИРОВ

Броени дни делят учените от най-епохалният експеримент на XXI век – опитът по лабораторен път да се възпроизведе Големият взрив, за да се разкрият тайните на строежа на материята.

Залозите в тази игра са много високи. В случай на успех на експеримента е гарантирана Нобеловата награда, а относно това, какво ни очаква в случай на провал на експеримента, се водят най-ожесточени спорове. Но всички се обединени по един въпрос: това е най-наглият опит на хората да се поставят на мястото на Бога и да проверят в какво се е състоял замисъла на Твореца...

Големият адронен колайдър затова и се нарича Голям, защото във всички отношения той е „най-най”. Най-мощният, най-точният, най скъпият – неговото строителство е изисквало разходи от Европейската организация по ядрени изследвания  CERN (Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire) в размер на 6,3 милиарда евро.

При все това Големият адронен колайдър не е просто установка. Това е най-съвършеното гигантско съоръжение, което някога  са построили хората, огромен подземен град, изграден в скалите на дълбочина 100 метра. На повърхността протича равномерният живот на тихото предградие на Женева, а под повърхността е разположено 27 километров пръстен, по който ще се носят протоните от водородни ядра, ускорени почти до скоростта на светлината. След това тези частици ще се сблъскат с друго идентично снопче протони, и  във момента на сблъсъка ще се отдели такава чудовищна енергия, че парченцата материя ще образуват същото това подобие на протоплазмата, която е бушувала в първите моменти от съществуването на Вселената след Големия взрив.

Дотолкова доколкото е невъзможно материята да съществува в състоянието на протоплазма, то тя за нищожни части от секундата ще премине в някакво друго, все още неизвестно за науката състояние.

При това превръщането на материята ще се съпровожда с отделянето на милиони различни частици и вълни, които след като бъдат уловени, физиците се надяват най-накрая да усетят присъствието на Бога и да разберат промисъла на Твореца.

За да получите нагледна представа за този експеримент, физиците привеждат следният факт: за избягването на каквито и да е нежелателни последствия моделът на Големия взрив ще се удържа в абсолютен вакуум от свръхпроводящи магнити с такава мощност, че ако по време на експеримента до тунелът се постави камион „КамАЗ”, то магнитното

поле за части от секундата ще го сплеска в тъничък пласт, обвил стените на „тръбата”.

Но още повече паразява въображението друг факт: цялата тази женевска машина е построена само с една единствена цел: физиците искат да узнаят, съществува ли в действителност така нареченият бозон на Хигс, съществуването на който беше предсказано преди много години. Именно тази неуловима елементарна частица учените  и наричат „частица на Бога”.

ПРОКЛЯТИЕТО НА ФИЗИЦИТЕ

—   Защо всички физици се интересуват от бозона на Хигс? – обяснява главният научен сътрудник на Института за ядрени изследвания на РАН академик Валери Рубаков. – Работата се състои в това, че учените създадоха така наречения Стандартен модел, който задоволително точно обяснява много принципи на мирозданието и възникването на Вселената. Но цялата красива теория може просто да рухне, ако ядрените физици не уловят този бозон – „тухличката”, предсказана само в теорията.

Още преди 100 години всички напредничави учени мислели, че материята се състои от два-три типа молекули. В началото на миналия век в физиката основателно се утвърдил така наречения модел на атома на Ръдърфорд, състоящ се от ядро-протон, около който обикалял електрона. През 30-те години в атома включили още една елементарна частица – неутрона, допълнил протона в ядрото на атома. След това се изяснило, че може би са доста повече тези „тухлички” на материята. Така през 60-те години – в „златната епоха” на физиката – възникнало понятието кварки, тоест това от което се състоят вече самите елементарни частици. А в първата половина на 70-те била формулиран така наречения Стандартен модел.

Според този модел, мирозданието е построено по принципа на конструктора „Лего”:има три типа кварки, които отделно един от друг не могат да съществуват. Кварките се съединяват помежду си посредством още една елементарна частица – глюона. В едно съчетание от три кварки се получава протона, в друго – неутрона. Плюс това има още електрони, неутрино и по-тежки аналози, които са свързани помежду си с три типа  взаимодействия – електромагнетизъм, ядрено и слабо; освен това отделно място в мирозданието заема и гравитацията.

Но както писа един от най-старите сътрудници на CERN Гордън Фрейзър в своята книга „Антиматерия:световете отвъд огледалото”, „Стандартният модел на взаимодействие на елементарните частици се явява едновременно и най-великото достижение на физиката от втората половина на XX век, и нейното най-голямо проклятие”. Проблемът е в това че всички експерименти в областта на физиката на елементарните частици или потвърждаваха теоретическите предсказания на модела, или изискваха постоянната му поправка. Така например през 1974 година нобеловия лауреат по физика Семюъл Тинг откри нова елементарна частица – така наречения „омагьосан кварк”, благодарение на което беше пренаписана цялата теория на електрослабите взаимодействия. Затова пък още в 1983 година на протонно-антипротонния колайдър SpS в CERN бяха открити още два типа бозони – преносители на слабото взаимодействие, на които всичките им свойства бяха по-рано предсказани от Стандартния модел.

Въпреки това за година експерименти учените осъзнали, че Стандартния модел може би не е единствената схема на взаимодействията на елементарните частици. Так асе появили нови фундаментални теории за строежа на мирозданието – например, Теорията на суперструните в която се изучават не точкови елементарни частици, а протяжността на обектите – ултрамикроскопичните струни. При това в последно време Теорията на суперструните набира все повече поклонници и не на последно място благодарение на това, че този модел на мирозданието предполага равноправно съществуване на огромно множество от различни вселени, а не само тази в която съществуваме.

ТЕЖЕСТТА НА ПОЛЕТО

С какво не устройва физиците Стандартния модел? Отговорът е прост: с тов аче системата на взаимодействията на трите вида кварки изобщо не дава отговор на въпроса: откъде се е взела гравитацията и такова привично за всички нас понятие, като ”маса на тялото”?

—   Колкото и удивително да е, но ако се абстрахираме от това което виждаме в природата, и се опитаме да напишем теория на елементарните частици от празен лист, то мнозинството от тях няма да имат никаква маса, - обяснява академик Валери Рубаков. – Всички елементарни частици в теорията ще летят със скоростта на светлината и няма да имат никакво тегло. Но ето при обикновеното вещество има маса, което е очевидно без всякава физика. А как тя се получава е непонятно...

За обяснението на този парадокс беше измислена теорията на бозона на Хигс.

—   Това е по-скоро някакво ново поле, което пронизва  всичко в света, - пояснява Валерий Анатолевич. – Това поле може още да се сравни с морето, а вълните в това море са и самите тези бозони.

Елементарните частици плуват в това „море” и за сметка на взаимодействието с „водата” – полето –се превръщат в масивни. Частиците се промъкват през това поле, и то ги забавя. Наистина това засега е само хипотеза, но за да я потвърдят на физиците им е необходимо да регистрират това поле. Даже не самото поле, а само следите от него – същият този бозон на Хигс. Съвсем друго нещо е това че за да се регистрира този бозон физиците трябва по някакъв начин да разтревожат това поле. Тоест да устроят подобие на Големия взрив.

ХИГС и БОГ

Този неуловим бозон бил наречен така в чест на почетния професор на Единбургския университет 79-годишният Питър Хигс, който и измислил „отежняващого” поле през 1964 година. И през всички тези години само очаквал потвърждение на своите математическите си изчисления.

Хигс се родил в семейството на звукооператор от радиостанцията ВВС и от детството си се увличал от физиката. Още повече неговото намерение да се посвети на науката било подкрепено от успешното изпитание на атомната бомба, след което по целия свят започнал „бум на физиците” – всички ученици мечтаели само за това да са в лабораториите с синхрофазотроните. Но след завършването на средното училище в Лондон той по съвета на баща си постъпил в математическия факултет на Кингс колидж в Лондон, където получил научна степен по теоретична физика и философия.

След това, вече работейки като преподавател в Единбургския университет, Хигс се заинтересовал от Стандартния модел и формулирал своята теория за невидимото поле, състоящо се от бозони – частици, почти изцяло състоящи се от маса. Към някои частици бозоните”се прилепват”, увеличавайки тяхното тегло(„Подобно на подлизурковците в политиката”, - уточнява професора), а другите частици – например, светлинните фотони свободно прелитат покрай тях, без изобщо да се обременяват.

Наистина в началото всички физици се отнесли повече от скептично към работата на Хигс. Когато Хигс се опитал да публикува своя статия в научните списания Physics Letters и European Physics Journal, редакторите му върнали текста с забележката: „Съжаляваме, но всичко това очевидно няма отношение към науката”. Само американското American Physics се съгласило да публикува работата на преподавателя, и то в орязан вид. И едва след като белгийските физици Робер Бру и Франсоа Енглер достигнали до аналогични изводи за природата на възникването на масата, започнали да възприемат Хигс сериозно.

Забележително, е че самият Хигс бидейки убеден атеист, се възмущавал, когато вестникарите нарекли неговото поле”Божествената частица” – това название измислил нобеловият лауреат и директор на Лабораторията Ферми Леон Ледерман, който бил завладян от идеята за масовата популяризация на физиката сред обществеността. Разбираемо е че звучното название привличало вниманието не само на обикновените граждани, но и на научните фондове отделящи средства за изследвания. Казват че когато Хигс започнал да протестира срещу опоменаването на Бог, Ледерман, подсмихвайки се, предложил да променят названието на бозона на „проклетия” поради неговата неуловимост. Хигс помислил и се съгласил за Бога, а сега и сам често споменава това название

—   - А съм уверен че откритието не е далече,  -  увери журналистите от френският Courrier International след посещението на колайдъра в CERN, професор Хигс. – И тогава аз определено ще отворя някоя бутилка.

ГОНИТБАТА НА ХИГС

Гонитбата на бозона Хигс започна още в края на 70-те, и никой не се съмняваше, че ще я спечелят САЩ:американците тогава решиха да изградят истински суперколайдър SSC с дължина 97 км – три пъти по-голяма от тази на европейският. Но строителството се проточило прекалено дълго, разходите се повишили двукратно в сравнение с първоначалните пресмятания, и конгресът на САЩ през 1993 година прекратил финасирането на експеримента. Понастоящем се говори че в недостроения 97-километров „геврек” отглеждат шампиньони.

Собствен проект за колайдър имал и съветският Институт по физика на високите енергии към АН на СССР. Още през 1983 година в селцето Протвино под Серпухов бил изкопан 20-километров тунел за новият ускорител УНК(ускорително-набиращ комплекс за протони), но след това разпадането на СССР преустановило строителството му. Сега специалистите от ИФВЕ само подържат пръстена от тунели в работно състояние, даже без да мечтаят за това че някога ускорителят може да заработи.

Така че сега единствения участник в гонката за „Божествената частица” е CERN. Още през 1988 година бозона на Хигс се опитаха да хванат на специално построения електронно-позитронен колайдър LEP, но продължителните опити не се увенчаха с успех. Проследяващият експериментите Питър Хигс обясни неудачата с малката мощност на ускорителя, но генералният директор на CERN Лучано Майани обяви, че освен следите на W- и Z-бозоните”почти ни се отдаде да видим и бозона на Хигс”. Разбираемо, тези думи само раздразниха въображението, беше взето решението да се строи нова, по-мощна установка.

МОМЕНТА НА  ИСТИНАТА

Но какво ще се случи ако този път не забележат бозона на Хигс?

Руските физици считат, че няма да се случи нищо трагично за науката, след като експериментът така или иначе, ще помогне на учените да погледнат отвъд пределите на Стандартния модел. В частност, учените разчитат да открият  частицата на тъмната материя – вещества, от които се състои 96 процента от материята във Вселената. Тъмна я нарекли по причината че това вещество не е видимо, дотолкова доколкото то много слабо взаимодейства с нашето обикновено вещество и се проявява само в следствие на въздействието на гравитацията. Част от физиците е решена да улови реликтовото излъчване – останки от някакво поле, формирало се в първите секунди на Големия взрив. Трети имат намерението да изследват свойствата на субатомната частица B_s-мезон, с помощта на която, е възможно да се удаде проясняването на един от основните въпроси на съвременната космология – отсъствието на антиматерия във Вселената. Ако според общоприетата теория, по време на Големия взрив материята и антиматерията се образували в еднакво количество, то трябва те да са се анихилирали в чиста енергия. Но това не се е случило, и учените сега се подготвят да изяснят, къде са изчезнали всички античастици.

Между другото именно в CERN още преди 8 години беше за първи път синтезиран атомът на антиводорода, така че сега изследователите са пълни с оптимистични надежди.

Но за самият Питър Хигс нов провал ще се превърне в истинска катастрофа. 

—   По всичко изглежда, че това може да доведе до пълно прекратяване на финансирането на това направление в физиката, - призна професор Хигс. – Ако ние подведем международните партньори, то след такъв случай те просто ще престанат да ни се доверяват.

Впрочем както считат в CERN, в още по-голям проблем може да се превърне откриването на бозона на Хигс, но само в случай, че освен него не открият нищо друго.

Тогава това ще бъде даже не трагедия а истинска задънена улица за цялата физика на елементарните частици. В този случай на учените ще бъде много сложно да убедят стиснатите лидери на ЕС и главите на правителствата на страните-участници в проекта CERN да отделят от бюджета още някои други десет милиарда евро за строителството на новия, още по-мощен ускорител ILC (International Linear Collider), пускът на който вече е включен  в переспективните планове на CERN за 2020 година. Ще се попита, защо тогава да се строи още един суперколайдър, когато и така всичко  е известно?

Така че единствената надежда на европейските физици се крие в това че гонитбата на тайните на Бога никога няма да завърши и замислите на Твореца така и ще си останат

непостижими.

Фото: REUTERS; MAXIMILIEN BRICE/CERN