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, 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.
30 января 1987 г. проект был одобрен Белым домом. В апреле министерство энергетики приступило к поиску места строительства, обратившись с просьбой к заинтересованным штатам высказывать свои предложения. К установленному сроку, 2 сентября 1987 г., оно получило сорок три предложения (общее число документов весило около 3 т) от штатов, желавших осуществить проект ССК на своей территории. Комитет, назначенный национальными академиями науки и техники, уменьшил число заявок до семи «лучше всего обоснованных» мест, и, наконец, 10 ноября 1988 г. министр энергетики объявил решение министерства: ССК будет построен в округе Эллис, Техас.
Отчасти, причина этого выбора лежит глубоко под поверхностью Техаса. На север от Остина до Далласа тянется геологическая формация возрастом 84 млн лет, известная как Остинское меловое отложение. Оно возникло из осадочных пород на дне моря, покрывавшего большую часть Техаса в меловом периоде. Мел непроницаем для воды, достаточно мягок для рытья, и в то же время, достаточно тверд для того, чтобы не было необходимости дополнительно укреплять стены туннеля. Трудно было бы найти более удачный материал, в котором предстояло прорыть туннель ССК.
Тем временем только разворачивалась борьба за финансирование ССК. Критическим для такого рода проектов является первое ассигнование на строительство. До этого момента проект состоит только из исследовательских и конструкторских работ, которые могут быть остановлены так же легко, как были начаты. Но как только начинается само строительство, остановить его политически неудобно, так как остановка означает молчаливое признание, что все деньги, уже потраченные на строительство, выброшены на ветер. В феврале 1988 г. президент Рейган запросил конгресс о выделении 363 млн долларов на строительство, но конгресс выделил только 100 млн и специально позволил тратить эти средства только на разработку и конструирование, но не на строительство.
Проект ССК продолжался так, как будто его будущее было обеспечено. В январе 1989 г. была избрана техническая администрация, и директором лаборатории ССК стал Рой Швиттерс. Этот бородатый, но сравнительно молодой физик-экспериментатор, которому исполнилось тогда 44 года, уже доказал свои способности управленца, возглавляя главную экспериментальную группу на ведущей в США установке по физике высоких энергий – коллайдере Тэватрон в Лаборатории им. Ферми. 7 сентября 1989 г. появились хорошие новости: сенатский комитет согласился ассигновать 225 млн долларов в 1990 бюджетном году причем 135 млн предназначалось на строительство. Проект ССК наконец-то выходил из стадии исследований и конструирования.
Но борьба не закончилась. Каждый год администрация ССК ставила перед конгрессом вопрос о финансировании, и каждый год произносились одни и те же аргументы за и против. Только очень наивный физик удивился бы, насколько далеки эти споры от нарушения электрослабой симметрии или окончательных законов природы. Но только очень циничный физик не был бы огорчен самим фактом этих споров.
Единственный самый сильный фактор, заставлявший политиков поддерживать или отвергать ССК, состоял в сиюминутных экономических интересах их избирателей. Гроза проекта в конгрессе, член палаты представителей Дон Риттер сравнил ССК с «казенным пирогом», который некоторые влиятельные конгрессмены поддерживают только из политических соображений. Прежде чем было выбрано место строительства ССК, со стороны тех, кто надеялся, что выбор падет на его штат, была широкая поддержка проекта. Когда я в 1987 г. выступал в поддержку проекта перед сенатским комитетом, один из сенаторов заметил мне, что сейчас ССК поддерживают около сотни сенаторов, но после того, как будет объявлено место строительства, их останется только два. Конечно, поддержка сократилась, однако оценка сенатора была чересчур пессимистичной. Возможно, это связано с тем, что компании по всей стране получили контракты на компоненты ССК, но я полагаю, что это отражает и определенное понимание важности проекта как такового.
Многие оппоненты ССК указывают на срочную необходимость сократить дефицит федерального бюджета. Это было постоянной темой выступлений сенатора Дейла Бамперса из Арканзаса, главного оппонента ССК в сенате. Я могу понять эту озабоченность, но не понимаю, почему начинать сокращение дефицита нужно именно с исследований на переднем крае науки. Можно подумать о многих других проектах – от космической станции до подводной лодки «Морской волк» – стоимость которых много больше, чем у ССК, но внутренняя ценность намного меньше. Может быть, мы должны продолжать другие проекты из-за желания сохранить рабочие места? Однако деньги, потраченные на ССК, обеспечивают такое же количество рабочих мест, как и любой другой проект. Может быть, не будет слишком циничным предположение, что проекты типа космической станции или подводной лодки слишком хорошо политически защищены сетью аэрокосмических и оборонных компаний, так что ССК остается самой уязвимой мишенью для чисто символического акта сокращения дефицита бюджета.
Одной из постоянных тем в дебатах по поводу ССК было противостояние так называемых большой науки и малой науки. Проект ССК вызвал противодействие со стороны ряда ученых, предпочитающих старый и более скромный стиль научного исследования – эксперименты, проводимые профессором и его студентом в комнатке университетского корпуса. Многие из тех, кто работает в современных гигантских ускорительных лабораториях, тоже предпочли бы физику такого рода, однако, в результате прошлых достижений мы столкнулись с проблемами, которые просто невозможно решить с помощью резерфордовских нитки и сургуча. Я понимаю, что многие авиаторы с грустью вспоминают те дни, когда кабины самолетов были открытыми, однако, таким способом не пересечешь Атлантику.
Противодействие проектам «большой науки» типа ССК исходит и от ученых, которые хотели бы потратить деньги на другие исследования (например, свои собственные). Но я думаю, что они сами себя обманывают. Когда конгресс урезал запрос администрации на проект ССК, освободившиеся деньги были направлены не на науку, а на проекты в гидроэнергетике. Многие из этих проектов являются чистой «кормушкой», и, по сравнению с их стоимостью, средства, потраченные на ССК, являются ничтожными.
ССК также вызвал противодействие тех, кто подозревал, что решение президента Рейгана о его строительстве относилось к тому же типу, что и поддержка проекта противоракетных систем в рамках «звездных войн» и проекта космической станции – этакий бездумный энтузиазм по поводу любого нового большого инженерного проекта.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41