Тетчер і бозон Хіггса. Як фізики вибивають гроші простим англійською мовою

Ще як мінімум 20 років найбільшим проектом в області фундаментальних фізичних досліджень буде залишатися європейський LHC (Великий адронний коллайдер). Протягом найближчих 10 років будуть проведені роботи по його глибокої модернізації, що дозволить підвищити темпи наукових експериментів в 20 разів.

Завдяки LHC Європа повернула собі статус головного світового центру фізики високих енергій, залишивши США на задвірках, де вони перебували до другої світової війни. Це був той рідкісний випадок, коли конкурент здався ще до бою. Історія про те, як європейські фізики змогли вибити гроші на LHC, а американські, навпаки, втратили власного проекту, цікава ще й як розповідь про звичаї серед учених, і серед політиків.

Чим поле Хіггса схоже на партфункціонерів

Проект LHC був мало не вбито в зародку в 1993 р. Нещастя могло статися із-за консервативного уряду великої Британії на чолі з Джоном Мейджором, який хотів урізати фінансування наукових напрямків, не націлених на підвищення якості життя британців. Під загрозою опинився навіть щорічний внесок країни в Європейську організацію з ядерних досліджень (CERN) у розмірі 55 млн фунтів, не кажучи вже про участь у фінансуванні проекту LHC, задуманого заради пошуку якогось міфічного бозона Хіггса.

Про цю проблему розповів на конференції британського Інституту фізики міністр науки Вільям Уолдгрейв.

Він попросив, щоб хтось із фізиків простим англійською мовою на одному аркуші паперу пояснив, чому так важливий цей бозон Хіггса, що потрібно витрачати мільярди доларів тільки заради того, щоб його знайти.

"Якщо ви допоможете мені в цьому розібратися, у мене буде більше шансів допомогти вам отримати гроші на його пошуки", – сказав Уолдгрейв і пообіцяв за дохідливе пояснення пляшку вінтажного шампанського.

Фізики перейнялися почуттям небезпеки. Уолдгрейв отримав 117 заявок, і спільнота фізиків саме обрало найкращу з них. Її автор, професор Університетського коледжу Лондона Девід Міллер, описав ситуацію, яку дуже легко міг уявити будь-який член уряду. В ній роль поля Хіггса грали партфункционеры, а роль частинки, знаходить масу завдяки механізму Хіггса, – екс-прем'єр Маргарет Тетчер.

Свою розповідь професор почав так: "Уявіть собі вечірку з членами політичних партій, які рівномірно розподілені по кімнаті і всі розмовляють з найближчими сусідами. Входить мадам колишній прем'єр-міністр і йде по кімнаті. Всі партійні функціонери, які знаходяться поруч, тут же притягаються до неї і скупчуються навколо неї. По мірі руху вона притягує тих, до кого наближається, а ті, кого вона залишила, знову рівномірно розподіляються по кімнаті. Із-за того що навколо неї весь час накопичується натовп народу, вона набуває масу більше звичайної. При русі її важче зупинити, а після зупинки її важче змусити рухатися знову. Це і є механізм Хіггса в трьох вимірах".

Залишалося пояснити бозон Хіггса. "А тепер уявіть, що по кімнаті з партійними функціонерами пройшов слух. Ті, хто знаходиться поруч з дверима, чують його першими і скупчуються в групу, щоб дізнатися подробиці.

Потім вони розвертаються і переходять до найближчих сусідів, яким теж хочеться послухати, – продовжував свою розповідь Міллер. – Так як інформацію переносять скупчення людей і так як саме скупчення повідомляли додаткову масу колишньому прем'єр-міністру, значить, скупчення – переносники слуху теж мають масу. Бозон Хіггса, як віщував, є таким скупченням в поле Хіггса. Нам буде набагато простіше повірити, що це поле існує і що механізм повідомлення маси іншим частинкам вірний, якщо ми побачимо саму частку Хіггса".

Хіба могли партфункционеры-консерватори, присутні в уряді Мейджора, не оцінити утішний натяк, що це саме завдяки їм Тетчер у колишній час стала політичним важковаговиком. Британське уряд продовжив виплачувати внески в CERN. А в грудні 1994 р. країни – учасниці CERN, включаючи Великобританію, проголосували за виділення грошей на LHC.

"Універсальний солдат-2" замість бозона Хіггса

За шість років до цієї події, в листопаді 1988 р., міністерство енергетики США оголосило найкраще місце для будівництва Надпровідного суперколлайдера (SSC) – прерії округу Елліс, штат Техас. Сталося це рівно через два дні після обрання Джорджа Буша, уродженця Техасу, президентом країни. Незабаром уряд штату виділив землі біля містечка Ваксахачи, і на них розгорнулося будівництво.

Однак у січні 1993 р. Буша на посаді президента змінив Білл Клінтон, а в жовтні 1993 р. кошторис на продовження будівництва SSC була відхилена палатою представників з подвійним перевагою голосів. Чергові щорічні асигнування на SSC вирішено було пустити на те, щоб законсервувати вже збудовану частину наукового комплексу. До того часу в проект, який був виконаний більш ніж на чверть, встигли вкласти $2 млрд.

На SSC, якщо б його побудували, можна було б розганяти частинки до енергій, в 1,5 рази більших, ніж на LHC. У Ваксахачи встигли вирити 22,5 км тунелю із запланованих 85 км.

Це недобудоване і закінчується тупиком диво інженерної думки так і не стало науці, зате в нагоді для зйомки підземних сцен бойовика "Універсальний солдат-2".

Навколо – пустка з закинутими будівлями, покрывшимися бур'янами. Прерії поїдені оспою 17 засипаних і нікому не потрібних шахт, кожна в глибину близько сотні метрів.

Як допустили таке американські фізики? Вони весь час були розколоті. Багато фахівців з фізики високих енергій вважали, що найкращим місцем для SSC була б Національна прискорювальна лабораторія ім. Енріко Фермі в Батавії, штат Іллінойс, з її знаменитим колайдером Теватроном, на той момент найбільшим у світі (він був закритий у 2011 р.). А представники інших галузей фізики доводили, що краще профінансувати їх проекти, ніж викидати гроші на SSC.

Не дивно, що конгресмени, відмовившись від SSC, не пустили зекономлені гроші ні на які інші наукові проекти, а просто за їх рахунок скоротили дефіцит бюджету. Ефект від цієї економії, звичайно, давно вже нівелювався, а ось американська фізика високих енергій виявилася відкинутою назад.

На HL-LHC піде десять років

В середині лютого був оприлюднений план реалізації проекту HL-LHC, мета якого - підвищити світність LHC (Великого адронного коллайдера) більш ніж на порядок. Іншими словами, весь той обсяг даних, які колайдер накопичив з 2010 р. по теперішній час, HL-LHC зможе набирати всього лише за місяць-півтора. В Європейській стратегічній програмі з фізики високих енергій цей проект визнано головним пріоритетом найближчого майбутнього.

Зараз готується тендер на виконання робіт, він буде відкритий у червні 2017 р., а в березні 2018-го очікується оформлення контрактів з субпідрядниками. У тому ж році почнуться перші роботи. Для встановлення нового обладнання доведеться викопати декілька нових тунелів завдовжки в сотні метрів і підземних залів з додатковими шахтами, над ними будуть зведені два комплексу наземних споруд разом з обслуговуючою інфраструктурою. Загальний обсяг передбачуваних робіт - 100 тис. куб. м грунту, які потрібно вирити на глибині близько 100 м. Роботи будуть вестися в періоди планових зупинок колайдера і повинні завершитися в 2026 р.

Кошторис проекту становить 950 млн швейцарських франків, втім, за десять років вона напевно зросте, як це завжди буває. І в ще більшу суму, з урахуванням щомісячних експлуатаційних витрат і витрат на зарплати, обійдеться відкриття так званої "нової фізики" за межами стандартної моделі фізики високих енергій.

На даний момент LHC поставив вже десяток загадок, які вчені не можуть розгадати. Але ніяких нових частинок, що не вписуються в стандартну модель, ще не виявлено. Поки що головним досягненням LHC залишається відкриття бозона Хіггса в 2012 р. Журнал Forbes тоді підрахував, що на це пішло більше $13 млрд (вартість будівництва LHC плюс всі операційні витрати).