Почему мы должны строить большие ускорители частиц.
Физика высоких энергий имеет высокие цели и жестокие методы. Его миссия состоит в том, чтобы обнаружить основные строительные блоки материи, элементарные частицы, из которых состоит все во Вселенной, от звезд до людей.
Чтобы заглянуть в сердцевину атомов, физики строят гигантские машины, которые сталкивают воедино крошечные куски материи. Чем быстрее они двигаются, тем сильнее столкновения и тем многообещающе результаты. Игра заключается в том, чтобы увидеть, выйдет ли что-нибудь новое. Физики изучают останки, надеясь заглянуть в новые физические сферы, проверить идеи или, иногда, обнаружить что-то неожиданное.
Текущий ускоритель частиц-рекордсменов - Большой адронный коллайдер (БАК), гигантский коллайдер в ЦЕРНе, лаборатории, расположенной недалеко от Женевы, Швейцария, на франко-швейцарской границе. Тысячи ученых, инженеров, техников и студентов со всего мира работают вместе для достижения общей цели: способствовать познанию человечеством мира и разрабатывать новые технологии для всех. В сегодняшней разобщенной политической сцене БАК является ярким маяком того, чего мы можем достичь, работая вместе. Никакая другая крупномасштабная научная работа не сравнится с ней.
Чудо инженерной мысли, БАК - самая большая машина из когда-либо построенных: кольцевой туннель длиной 16,8 миль (27 км), проложенный на глубине 330 футов под землей, где частицы движутся со скоростью, близкой к скорости света. По его длине расположены четыре разных детектора, которые отслеживают результаты столкновений. В 2012 году БАК открыл бозон Хиггса - частицу, предсказанную еще в 1960-х годах. Это жемчужина так называемой Стандартной модели физики элементарных частиц, модели, которая объединяет все, что мы в настоящее время знаем о фундаментальных строительных блоках материи. Но мы не знали его массы; и мы до сих пор не знаем, состоит ли бозон Хиггса из еще более мелких частиц.
Вопрос в том, что будет дальше. БАК получает модернизацию, которая повысит его эффективность в пять-десять раз, начиная с 2026 года. Но физики смотрят дальше, планируя гораздо более крупную машину, способную достигать энергий, в пять раз превышающих БАК. Новая машина, Future Circular Collider (FCC), имеет высокую цену - от 10 до 20 миллиардов долларов США. Для сравнения, стоимость LHC составляет 5 миллиардов долларов США, а годовой операционный бюджет составляет около 1 миллиарда долларов.
Критика и разочарование
Такие высокие затраты всегда вызывают критику. Недавно физик-теоретик Сабина Хоссенфельдер, научный сотрудник Франкфуртского института перспективных исследований в Германии, опубликовала в The New York Times статью с критикой планов по созданию FCC. Я брал здесь интервью у Хоссенфельдер в прошлом году, когда она опубликовала свою книгу 0, критикующую направление, которое приняла физика высоких энергий за последние десятилетия.
В своей статье Хоссенфельдер утверждала, что без гарантии того, что новая физика скрывается в энергиях, которые FCC может исследовать, деньги лучше потратить на другие, менее дорогостоящие инициативы в области физики элементарных частиц или астрофизических исследований.. Как и большинство наших коллег, она была разочарована тем, что БАК не открыл другие виды частиц: многие ожидали найти намеки на суперсимметрию, новый гипотетический принцип, который удвоит число фундаментальных частиц, или даже дополнительные пространственные измерения и мини черные дыры - несомненно, весьма спекулятивные идеи.
Природа 85 процентов материи во Вселенной остается нам неизвестной. Мы называем это темной материей, и возлагались большие надежды на то, что обнаружение суперсимметрии на БАК решит этот вопрос. Увы, этому не суждено было случиться. Теория может направлять разработку экспериментов, но последнее слово всегда за природой.
Отпор пораженчеству
Мы понимаем критику Хоссенфельдер и разделяем некоторые ее разочарования и опасения. Однако мы не согласны с ее фундаментальной предпосылкой, основанной на аргументе типа «либо то, либо это», который выглядит примерно так: FCC слишком дорог и, таким образом, выкачивает средства из других физических проектов, так что давайте.
Такого рода рассуждения являются пораженческими. Как сообщество, мы должны бороться вместе за расширение всех областей наших исследований, работая с общественностью и политиками, чтобы увеличить бюджет исследований для размещения различных видов проектов. Хотя это правда, что бюджеты на исследования часто ограничены, наша работа заключается в том, чтобы убедить общество в том, что то, что мы делаем, того стоит, даже если оно не вызывает больших заголовков.
Тем временем американское правительство объявило о планах пополнить свой парк бомбардировщиков B-1 и B-2 100 новыми бомбардировщиками B-21 Raider, способными нести ядерные заряды, к середине 2020-х годов. Ценник составляет почти 100 миллиардов долларов США, примерно 1 миллиард долларов за самолет.
Мы считаем, что фундаментальный вопрос здесь не в том, слишком ли дорог новый ускоритель, а в том, как правительства решают инвестировать большую часть своих бюджетов: машины войны или машины открытий?
Вслед за Галилеем и Коперником
В фундаментальных исследованиях нет обещаний и гарантий успеха. Когда Галилей направил свой телескоп на небо в 1609 году, он не был уверен, что увидит. Не было твердого «предсказания», что Земля - это просто планета, вращающаяся вокруг Солнца; Коперник привел расплывчатые аргументы, скорее эстетические, чем физические. Но, используя свой новый инструмент для открытий, Галилей собрал убедительные доказательства того, что Земля действительно была планетой; и неожиданно обнаружил, что у Юпитера есть спутники, что у Сатурна есть кольцо («уши», - писал он), и что у Солнца есть пятна.
Аналогичным образом, большая часть квантовой физики возникла из неожиданных лабораторных результатов в конце 1800-х годов, которые заставили глубоко переосмыслить то, как работает Природа. Никто не предсказал дискретные электронные орбиты в атомах или свойство спина. Хоссенфельдер прав в том, что «большие научные эксперименты - это инвестиции в наше будущее». Действительно, история бесчисленное количество раз показывала нам, что инвестиции стоят того, чтобы их делать даже без гарантий успеха.
Конечно, мы должны извлечь уроки из наших результатов, и это мы делаем со многими бесплодными поисками, исходящими от LHC. Наука основана не на уверенности, а на неведении. Мы не можем быть уверены, что за пределами возможностей БАК скрывается новая физика, но мы узнаем это, только если поищем.
Это время для сообщества физиков работать вместе для достижения новых амбициозных целей, а не саботировать работу тысяч преданных своему делу коллег. Мы должны работать вместе, чтобы увеличить размер исследовательского бюджета, а не спорить друг с другом о том, как мы можем разделить то, что правительства выделяют нам.