Мечты об окончательной теории: Физика в поисках самых фундаментальных законов природы - Вайнберг Стивен
Поиск механизма нарушения электрослабой симметрии безусловно был не единственным доводом в пользу ССК. Обычно при строительстве новых ускорителей типа находящихся в ЦЕРНе или Фермилабе всегда ожидается, что при переходе к более высокому уровню энергий будут обнаружены новые выдающиеся явления. Такие ожидания почти всегда оправдывались. Например, при строительстве старого протонного синхротрона в ЦЕРНе не было никаких определенных идей относительно того, что на нем будет открыто. Безусловно, никто не предвидел, что эксперименты с полученными на этом ускорителе нейтринными пучками приведут к открытию в 1973 г. слабых взаимодействий нейтральных токов, подтвердивших единую теорию электрослабых взаимодействий. Сегодняшние большие ускорители являются потомками циклотронов, построенных в начале 1930-х гг. в Беркли Эрнстом Лоуренсом с целью ускорения протонов до столь высоких энергий, чтобы они смогли преодолеть электрическое отталкивание протонов атомного ядра. При этом у Лоуренса не было никаких идей о том, что может быть обнаружено, когда протоны проникнут вглубь ядра. Бывает и так, что определенное открытие анонсируется заранее. Например, построенный в конце 1950-х гг. бэватрон в Беркли был специально рассчитан на такую энергию (примерно 6 ГэВ), чтобы появилась возможность рождать антипротоны – античастицы протонов, входящих в состав всех обычных атомных ядер. Работающий в наши дни электрон-позитронный коллайдер в ЦЕРНе был построен в первую очередь так, чтобы энергия пучков была достаточной для рождения очень большого количества Z-частиц, которые затем использовались для того, чтобы подвергнуть теорию электрослабых взаимодействий жесткой экспериментальной проверке. Но даже тогда, когда постройка нового ускорителя мотивируется какой-то определенной задачей, наиболее важные открытия на нем происходят совершенно неожиданно. Именно так было с бэватроном в Беркли. Антипротоны на нем действительно были получены, но самым главным достижением стало рождение большого числа неожиданных новых сильновзаимодействующих частиц. Точно так же, с самого начала подчеркивалось, что эксперименты на Суперколлайдере могут привести к значительно более важным открытиям, чем подтверждение механизма нарушения электрослабой симметрии.
Опыты на ускорителях сверхвысоких энергий типа ССК могут даже решить самую важную проблему, с которой столкнулась современная физика, – проблему недостающей темной материи. Нам известно, что большая часть массы галактик, и еще большая часть массы скоплений галактик является темной, т.е. не состоит из светящихся звезд типа Солнца. Еще больше темной материи требуется для того, чтобы объяснить скорость расширения Вселенной в рамках популярных космологических теорий. Такой избыток темной материи не может существовать в форме обычных атомов. Если бы это было так, то существование дополнительного большого числа протонов, нейтронов и электронов повлияло бы на расчеты распространенности легких элементов, образованных в первые несколько минут расширения Вселенной, так что результаты этих расчетов перестали бы согласовываться с наблюдениями.
Так что же такое темная материя? В течение многих лет физики строят предположения о существовании экзотических частиц того или иного сорта, из которых могла бы состоять темная материя. Однако до сих пор эти гипотезы не привели к определенным результатам. Если в экспериментах на ускорителе будет обнаружен новый тип долгоживущих частиц, то, измерив их массу и взаимодействия, мы сумеем вычислить, сколько таких частиц осталось после Большого взрыва, и решить, могут ли они составлять всю или только часть темной материи во Вселенной.
Недавно эти вопросы обострились в результате наблюдений, сделанных спутником СОВЕ (Cosmic Background Explorer). Помещенные на этом спутнике чувствительные приемники микроволнового излучения обнаружили следы ничтожных различий температуры этого излучения при переходе от одной части неба к другой. Эти различия сохранились от эпохи, когда возраст Вселенной был равен всего тремстам тысячам лет. Считается, что такие неоднородности температуры возникли за счет влияния гравитационных полей, созданных слегка неоднородным распределением материи в ту эпоху. Момент времени через триста тысяч лет после Большого взрыва имел решающее значение в истории Вселенной. Она впервые стала прозрачной для излучения, и обычно считается, что неоднородности в распределении материи начали после этого момента собираться в комки под действием собственного притяжения, что привело в конце концов к образованию тех галактик, которые мы видим на небе. Однако неоднородности в распределении материи, вытекавшие из результатов измерений СОВЕ, не соответствуют молодым галактикам. Дело в том, что спутник СОВЕ изучал только нерегулярности очень большого размера, значительно превышавшего тот, который имели сегодняшние галактики в момент времени через триста тысяч лет после Большого взрыва.
Если экстраполировать то, что наблюдал СОВЕ, к много меньшим размерам ранних галактик, и вычислить степень неоднородности вещества на этих сравнительно малых масштабах, то мы столкнемся с проблемой: неоднородности размером с теперешнюю галактику были бы слишком незначительны в эпоху через триста тысяч лет после начала, чтобы вырасти под действием собственной гравитации в сегодняшние галактики. Один из способов преодолеть возникшую проблему заключается в том, чтобы предположить, что неоднородности галактического размера начали гравитационное сжатие уже в первые триста тысяч лет, так что экстраполяция того, что наблюдает СОВЕ, к много меньшим размерам галактик неверна. Однако это невозможно, если вещество Вселенной состоит главным образом из обычных протонов, нейтронов и электронов, так как неоднородности такой обычной материи не могут испытать существенный рост, пока Вселенная не станет прозрачной для излучения. Просто, в более ранние моменты времени любой комок вещества будет разнесен на куски давлением собственного излучения. С другой стороны, экзотическая темная материя [236], состоящая из электрически нейтральных частиц, стала бы прозрачной для излучения намного раньше, и поэтому начала бы гравитационное сжатие в эпоху намного ближе к началу, образуя значительно более сильные неоднородности галактических масштабов, чем те, которые вытекают из экстраполяции данных СОВЕ, и, вероятно, достаточные для того, чтобы вырасти в сегодняшние галактики. Открытие частиц темной материи на ССК подтвердило бы это предположение, пролив, тем самым, свет на раннюю историю Вселенной.
Существует множество других новых явлений, которые могли бы быть исследованы на ускорителях типа ССК: частицы, из которых состоят кварки внутри протонов, любые из множества суперпартнеров известных частиц, требуемых теорией суперсимметрии, новые типы взаимодействий, связанные с новыми внутренними симметриями и т.п. Мы не знаем, существуют ли перечисленные частицы и явления, и если они существуют, могут ли они быть открыты на ССК. Поэтому ободряющим является уже то, что мы заранее знаем по крайней мере об одном открытии огромного значения, которое можно совершить на ССК, – установлении механизма нарушения электрослабой симметрии.
После того, как министерство энергетики приняло решение о строительстве ССК, несколько лет ушло на планирование и проектирование, прежде чем смогло начаться само строительство. На основании давнего опыта известно, что хотя такое предприятие и спонсируется федеральным правительством, руководство им лучше всего осуществляется частными агентствами, поэтому министерство энергетики передало управление исследовательскими и конструкторскими работами университетской исследовательской ассоциации, некоммерческому консорциуму из шестидесяти девяти университетов, уже руководившему в свое время постройкой Лаборатории им. Ферми. Ассоциация в свою очередь привлекла университетских специалистов и ученых из промышленности в совет наблюдателей за постройкой ССК. Этот совет передал полномочия по детальной разработке конструкции ускорителя центральной конструкторской группе в Беркли, которую возглавил Маури Тайгнер из Корнеллского университета. К апрелю 1986 г. центральная конструкторская группа завершила проектирование. Ускоритель должен был представлять собой туннель диаметром три метра, образующий овал длиной 83 км, в котором должны были ускоряться летящие в противоположных направлениях два тоненьких протонных пучка энергией 20 триллионов электрон-вольт. Протоны удерживались на своей траектории 3 840 отклоняющими магнитами (длиной 17 м каждый) и фокусировались другими 888 магнитами. В целом, на все магниты должно было уйти 41 500 т железа и 19 400 километров сверхпроводящего кабеля. Они должны были охлаждаться 2 миллионами литров жидкого гелия.
