10 сентября 2008 года физики всего мира с нетерпением ожидали запуска самой большой машины на Земле – Большого адронного коллайдера. БАК представляет собой кольцевой протон-протонный коллайдер длиной 27 км, построенный в ЦЕРНе недалеко от Женевы, в 100 метрах под землей на границе между Францией и Швейцарией. Идея создания машины возникла в 1984 году, была одобрена Советом ЦЕРН в 1994 году, и после двух с половиной десятилетий разработки коллайдер должен был впервые ускорить протоны. Для валлийского физика Линдона (Лина) Эванса, руководителя проекта с момента его запуска в 1994 году, это была кульминация всей его карьеры.

Эванс производит впечатление скромного, доброго и практичного человека. Скромность проявляется и в том, что он редко упоминает свою карьеру в интервью, но его прозвище немного его выдает: «Эванс-атом» – вот сила, стоящая за БАКом. Эванс работает в ЦЕРНе с 1969 года, но его карьера всегда уводила его туда, где требовался его опыт в строительстве коллайдеров все более высоких энергий: от Протонного суперсинхротрона мощностью 300 ГэВ в ЦЕРНе до Тэватрона в Фермилабе и Сверхпроводящего суперколлайдера в Техасе. Когда последний проект отменили, БАК стал будущим физики элементарных частиц, а его воплощение – raison d’être (смыслом жизни) Эванса. «Нет ничего большего, чего мог бы надеяться достичь ученый», – сказал он.

Масштаб работы Эванса, который до сих пор испытывает благоговейный трепет каждый раз, когда входит в туннель БАКа, невозможно переоценить. Его работа по созданию коллайдера включала в себя надзор за примерно 2500 сотрудниками ЦЕРНа, а также еще 300 учеными и инженерами из России, Китая, Соединенных Штатов и других стран, которые поставляли компоненты для ускорителя. Эванс вспоминает, что, когда он встретился с президентом Китая, про себя он подумал: «Неплохо для парня из Абердэра!»

К сожалению, не все были так взволнованы запуском БАКа, как Эванс и его коллеги. В преддверии знаменательного дня некоторые новостные агентства пестрели заголовками вроде «Ученые “не уничтожат Землю”» и распространяли идеи о том, что БАК может создать черную дыру и уничтожить нас всех, что к тому же подпитывалось судебным делом, требующим остановить запуск машины. Такие теории заговора случаются каждый раз, когда запускается новый большой ускоритель. «Машина Большого взрыва может уничтожить Землю» – гласил заголовок в 1999 году, когда в США был запущен ускоритель RHIS («Релятивистский коллайдер тяжелых ионов»). Конечно, он исправно работает, и ничего ужасного не случилось.

Космические лучи постоянно бомбардируют Землю из космоса с гораздо более высокими энергиями – в тысячи раз превышающими энергии пучков Большого адронного коллайдера, – и делали это на протяжении всех 5 млрд лет существования Земли. Разница только в том, что БАК сталкивает частицы намеренно, по требованию ученых, и гораздо чаще, чем космические лучи. Все сообщество физиков элементарных частиц связывало свои надежды с этими столкновениями: они искали не только бозон Хиггса – недостающую часть Стандартной модели, – но все, что могло лежать за пределами нашего нынешнего понимания физики.

По окружности БАКа расположены четыре основных детектора, называемых ATLAS (акроним от англ. A Toroidal LHC ApparatuS – Тороидальный аппарат БАК), CMS (от англ. Compact Muon Solenoid – Компактный мюонный соленоид), ALICE (акроним от англ. A Large Ion Collider Experiment – Эксперимент с Большим ионным коллайдером) и LHCb (от англ. Large Hadron Collider beauty experiment – Эксперимент БАК по взаимодействию b-кварков). Их цели охватывают почти все важные вопросы физики элементарных частиц, от существования темной материи до причины, по которой мы чаще встречаем больше вещества, чем антивещества. Строительство БАКа и его экспериментов шли совершенно разными путями. БАК на 80 % обеспечивался ЦЕРНом, а вклад партнеров составлял примерно 20 %. Строительство огромных детекторов частиц, напротив, проводилось автономными группами ученых со всего мира, которые объединились в крупное международное сотрудничество, при этом вклад ЦЕРНа составлял только 20 %, включая предоставление подземных помещений и инфраструктуры.

ATLAS – это самый близкий эксперимент к основному кампусу ЦЕРНа в швейцарской коммуне Мерен, который посетители иногда могут увидеть, если им посчастливится попасть на экскурсию. Вход – непритязательная складская дверь, затем посетители проходят через зал размером с собор к огромному круглому отверстию в полу. Темнота – вот все, что можно увидеть за барьером. Вверху находится тяжелый металлический кран, его прочная сталь нужна для того, чтобы опускать целые фуры в глубины Земли. Каждая часть эксперимента ATLAS была спущена вниз через шахту, подобную этой, и собрана по кусочкам, как охлажденный жидким гелием огромный корабль в бутылке.

Посетители проходят через синюю металлическую клетку к серебристой двери лифта. Здесь каждый должен надеть синюю каску, поперек которой красуется надпись «ЦЕРН». Далее следует спуск на 100 метров под Землю. Волнение нарастает, вы выходите из лифта на металлическую дорожку, которая лязгает под ногами. За углом – стена, которая простирается на несколько этажей вверх и вниз. Только на самом деле это не стена. Она покрыта кабелями и электроникой, и вскоре вы понимаете, что это серия концентрических слоев детектора. Сам детектор ATLAS46 метров в длину и 25 метров диаметром, его размеры часто сравнивают с размерами собора, и нелегко представить, насколько же он огромен. Посетители пытаются осмыслить его многочисленные слои, от пиксельных детекторов в середине, точно отображающих треки частиц, до мюонных камер по краям, улавливающих частицы, которые могли пройти через первые слои незамеченными.

Экскурсия проходит дальше вниз по лестнице, вдоль вакуумной трубы, которая уходит через бетонную защитную стену. В тоннеле диаметром 3,8 м посетители затем подходят к одному из 10-метровых сверхпроводящих магнитов, окрашенному в синий цвет. Глаз тянется по длине этого магнита и дальше к следующему: за первым магнитом – более 1500 таких гигантов в петле тоннеля длиной 27 км, самого Большого адронного коллайдера. Изгиб круга настолько плавный, что кажется, что машина бесконечно уходит вдаль. Если увидеть его вблизи, то все кажется еще более нереальным, еще более запутанным в своей сложности.

Я впервые увидела ATLAS и БАК, когда проходила летнюю практику в ЦЕРНе. Я работала над системой управления нагревателями системы охлаждения внутреннего детектора ATLAS. Тема говорит сама за себя, на самом деле. Тема работы была далека от грандиозной физической задачи, которую я себе представляла, но вскоре я решила, что незначительность проекта не имеет значения. Главное, что я была там и что у меня был шанс принять участие в одном из величайших экспериментов, когда-либо созданных человечеством. На тот момент машина и ее детекторы все еще находились в стадии разработки, поэтому нас отправляли на экскурсии, чтобы мы могли увидеть своими глазами все подземные части эксперимента. Они казались мне гораздо интереснее, чем мой проект, пока я не поняла, что в (плохо) написанном мной коде было аварийное сообщение, которое можно было отправить по командной цепочке, чтобы отключить весь детектор ATLAS. После того как я увидела эксперимент своими глазами, проект внезапно показался мне куда более важным.

К 2005 году насчитывалось уже огромное количество студентов, стажеров, временных сотрудников и других лиц, которые внесли свой вклад в строительство коллайдера, наряду с тысячами физиков, инженеров и специалистов. Если уж новичку вроде меня было позволено посылать сигналы, способные остановить машину, если мои ошибки или никудышное программирование могли сорвать все предприятие, разумеется, законы статистики допускали то, что коллайдер мог и не включиться.

Три года спустя, в 2008 году, я наблюдала за экспертами в диспетчерской ЦЕРНа. В день запуска ЦЕРН сделал все, что должна делать любая открытая, прозрачная организация: они пригласили журналистов на запуск БАКа. В результате Эванс представил всему миру включение самой большой и сложной машины. Ленточное ограждение отделяло журналистов от рядов компьютерных экранов, расположенных в круглых капсулах, каждый из которых контролировал различные аспекты грандиозного эксперимента. Только несколько специализированных членов команды, ответственных за ввод в эксплуатацию крупнейшего в мире ускорителя, были допущены к управлению. Эванс был среди этих экспертов, и они, по понятным причинам, немного нервничали.

С началом дня возникли опасения. За одну ночь некоторые криогенные системы чуть не сорвали все планы. К утру все утряслось, и запуску был дан зеленый свет. Эванс руководил процессом, который мы называем «запуском тестовых пучков», многократно пропуская крошечные доли инжектируемого пучка через тысячи магнитов по одной секции за раз, корректируя орбиту при каждой попытке, чтобы последующие протоны оставались центрированными в вакуумной трубе. В 8:56 утра по британскому времени камеры сфокусировались на одном из многочисленных компьютерных экранов, на котором в виде вспышек отображались данные с мониторов положения пучка, слабые электрические сигналы от колеблющегося пути луча, проходившего через магниты в кольце за много миль от того места, где стояли операторы. Репортеры говорили, что протонный луч прошел более 6 км по кольцу. На нескольких встревоженных лицах появились улыбки. Две минуты, совсем немного настроек – и еще один пучок протонов прошел половину круга.

Через 20 минут, пройдя три четверти пути, луч достиг детектора ATLAS, и раздались спонтанные взрывы аплодисментов. Было слышно, как один из членов команды сказал: «Кажется, я выиграю свое пари: один час». К 9:24 утра луч один раз полностью обошел все кольцо. Теперь аплодисменты разразились по-настоящему. Все получилось.

Для команды это был триумф. Пол Коллиер, британский физик, возглавлявший отдел ускорителей ЦЕРНа, подытожил облегчение и усталость: «Я чувствую себя так, как будто я лично толкал частицы по кольцу». Все прошло гораздо более гладко и быстрее, чем ожидалось. Я была в восторге: эти эксперты справились с задачей, несмотря ни на что, создав машину, которая работала прекрасно, точно так, как было задумано.

Если в вашем воображении протонный пучок подобен лазерному лучу, я могу заверить вас, что это не так: на самом деле это беспорядочное сложное образование, которые мы видим на ранних стадиях развития галактик. Частицы в луче не являются пассивными участниками ни в их релятивистской веселой поездке, ни в их возможной катастрофической гибели. Каждый отдельный протон взаимодействует со всеми остальными и со своим окружением. Каждый протон в БАК вращается, притягивает и отталкивает остальных в своей вселенной длиной 27 км, образуя один из 2808 сгустков, расположенных на расстоянии всего 25 наносекунд друг от друга. Точные магнитные и электрические поля создают эти наноскопические галактики частиц и проводят их по кольцу 100 тысяч раз в секунду в течение нескольких дней подряд, пока они в конечном итоге не столкнутся друг с другом. При максимальной энергии, если лучи отклонятся от курса или вырвутся наружу, они могут превратить 600 кг твердой меди в лужу. Как вы можете себе представить, для того, чтобы все работало как надо, требуются самые яркие умы, самое совершенное компьютерное моделирование и лучшая инженерия, которая только существует на Земле.

К концу дня запуска Эванс и команда БАКа направляли пучки в обоих направлениях, и в экспериментах, включая CMS и ATLAS, уже наблюдались первые явления – не от столкновений пучков, а от столкновения высокоэнергетических частиц с частицами остаточного газа в камере пучка. Один за другим детекторы ожили и отреагировали, загоревшись треками частиц. Представители каждого эксперимента поспешили из своих диспетчерских в главный центр управления (примерно в 20 минутах езды), привезя с собой бутылки шампанского, завернутые в распечатки снимков первых электронных треков с их прекрасных детекторов.

В следующие несколько дней уехали съемочные группы, орбиты были стабилизированы, система окончательной фокусировки, предназначенная для сжатия луча перед столкновением, была запущена, и все пошло своим чередом. Оставалось только ускорить пучок до диапазона в несколько ТэВ и совершить первые столкновения. Затем, через девять дней после первого запуска, БАК взорвался.

Эксперты заявили, что произошел «серьезный инцидент». Когда они увеличили силу в магнитах – обычная процедура, – в одном из сверхпроводящих соединений между двумя магнитами случилось короткое замыкание. Такого не должно происходить. Сверхпроводящий провод вышел из своего сверхпроводящего состояния, создав внезапное электрическое сопротивление току в миллион ампер, что привело к выделению тепла. Огромного количества тепла. Оно превратило шесть тонн жидкого гелия в газ, расширяющийся настолько быстро, что выпускные клапаны, которые были разработаны специально для такого сценария, просто не справились. Взрыв физически вырвал из пола почти 30 магнитов весом по 35 тонн каждый. По появившимся изображениям туннеля можно сказать, что это было побоище. Изоляционный материал был разорван на части, а обломки уничтожили километры вакуумной трубы. Единственной милостью было то, что никто не пострадал, разве что несколько тысяч эго.

Потребовалось девять месяцев, чтобы восстановить машину, заменив поврежденные магниты запасными, увеличив соединения и каждый выпускной клапан, чтобы подобная авария не повторилась. Команда разбиралась в деталях произошедшего, как криминалист – в деталях преступления, открыто делясь всем на конференциях. Даже несмотря на то что сверхпроводящие синхротроны создавались и раньше, этот инцидент действительно выявил одну из трудностей создания чего-то такого большого и сложного: БАК единственный в своем роде.

Ремонт прошел успешно, и машина была перезапущена в 2009 году, пройдя этапы ввода в эксплуатацию и в конечном итоге увеличив мощность до полной энергии в 7 ТэВ в каждом пучке. За время эксплуатации машина зарекомендовала себя как элегантное существо, но управлять ею не менее сложно, чем в первый день. Удерживать лучи на заданном курсе – сложная задача, требующая как электронных, так и человеческих систем обратной связи. Операторам регулярно приходится вносить поправки на невероятно малые эффекты, включая движение земной коры из-за Солнца и Луны, уровень воды в Женевском озере и время прохождения скоростных поездов – все это влияет на движение протонов. Однако за более чем 10 лет не было никаких других крупных инцидентов.

При создании БАКа ЦЕРН и международное сотрудничество, которые стоят за каждым из экспериментов, должны были продумать эпические системы контроля качества, чтобы гарантировать, что все будет работать надежно, как только коллайдер окажется в этом подземном туннеле. По-настоящему я поняла только при работе над этой книгой, что код, который я написала еще студенткой, был передан профессионалу, проверен и доведен до совершенства в соответствии со строгими стандартами, прежде чем у него появился шанс быть использованным. Все предприятие БАК – это абсолютный триумф управления проектами, инженерии и сотрудничества.

К запуску БАКа Стандартная модель физики элементарных частиц, всеобъемлющая «теория почти всего, кроме гравитации», была завершена в своих теоретических деталях. Как мы уже видели, Стандартная модель включает в себя частицы материи: «лептоны», включая электрон, мюон и тау, и три соответствующих им нейтрино, а также шесть кварков (верхний, нижний, странный, очарованный, боттом (прелестный), топ (истинный)). Частицы материи имеют три поколения – каждое поколение почти идентично, за исключением увеличения массы, – и поиск и открытие частиц третьего поколения заполнили пробелы. Как мы видели в предыдущей главе, топ-кварк был обнаружен в 1995 году, а тау-нейтрино – в 2000 году в Фермилабе.

Помимо частиц материи, Стандартная модель содержит бозоны, или «переносчики силы». Пока мы оставим гравитацию, поскольку она не включена в Стандартную модель, но остальные три силы – слабое и сильное ядерное взаимодействие и электромагнитная сила – включены. Электромагнитная сила опосредуется фотоном. Сильное взаимодействие, которое связывает кварки, протоны и нейтроны вместе, осуществляется глюонами. Слабое взаимодействие немного отличается: по сравнению с фотонами и глюонами, которые не имеют массы, W– и Z-бозоны, обнаруженные в ЦЕРНе за десятилетия до создания БАКа, на самом деле чрезвычайно тяжелые. Слабое взаимодействие сопровождалось и некоторыми другими тонкостями.

В масштабах высоких энергий (которые, как мы теперь знаем, превышают 246 ГэВ) электромагнитное и слабое взаимодействие на самом деле являются частями одной всеобъемлющей силы – электрослабого взаимодействия. Хотя эти две силы кажутся очень разными в повседневных энергетических масштабах, при очень высоких энергиях, подобных тем, что были вскоре после Большого взрыва (еще до образования кварков), эти две силы смешиваются друг с другом и не могут быть разделены. Это было подтверждено в ЦЕРНе на ускорителе, предшествующему БАКу, – Большом электронно-позитронном коллайдере (LEP – Large Electron Positron collider), который подвергал Стандартную модель интенсивным испытаниям. Это одна из причин, по которой физики иногда называют коллайдеры частиц машинами времени, воссоздающими условия Большого взрыва, поскольку они могут создавать взаимодействия с энергиями, столь же высокими, как те, которые были обнаружены на самых ранних этапах Вселенной. Эксперименты также показали, что существует только три типа нейтрино и, как следствие, существует только три поколения частиц – по крайней мере, насколько нам известно в настоящее время. Стандартная модель казалась донельзя точной. Тем не менее оставалась недостающая деталь: теоретическая частица, которая могла бы придать тяжелым W– и Z-бозонам их массу, известная как бозон Хиггса.

Эта новая частица была предсказана еще в 1964 году в трех отдельных статьях, одна из которых была написана шотландским физиком-теоретиком Питером Хиггсом. Теория постулировала существование поля («поля Хиггса») во всем пространстве. При высоких энергиях (где «электрослабое» взаимодействие равно одной силе) все частицы безмассовые. В некотором критическом энергетическом масштабе, достигнутом по мере охлаждения Вселенной, поле Хиггса росло, и частицы начинали с ним взаимодействовать, тем самым приобретая массу. Этот необратимый процесс известен как «спонтанное нарушение симметрии», и его следствием является то, что разные частицы имеют разные массы, потому что имеют разные уровни взаимодействия с полем Хиггса.

Что значит для Вселенной быть заполненной полем Хиггса и что это дает? Прекрасное объяснение данного явления предлагает представить комнату, полную светской элиты на коктейльной вечеринке. Если в комнату войдет обычный человек, он сможет беспрепятственно пройти через помещение. Но представьте, что в комнату входит кто-то известный. Светская элита – поле Хиггса – собирается вокруг знаменитого человека – частицы, замедляя его продвижение по комнате. Известный человек, который сильно замедляется, подобен частице, которой поле Хиггса придает большую массу.

Чтобы показать, что природа действительно подчиняется этому механизму Хиггса, физики постулировали характерную частицу, предсказанную теорией, бозон Хиггса – возбуждение поля Хиггса. Эта частица похожа на слух, распространяющийся по коктейльной вечеринке и заставляющий светскую элиту сбиваться в кучу и передавать возбуждение. В коллайдерах столкновения частиц сверхвысоких энергий могут возмутить поле Хиггса. Это приводит к тому, что частицы выскакивают из поля – бозоны Хиггса. Единственная проблема заключалась в том, что Стандартная модель не давала никаких указаний на то, какой массой обладают бозоны Хиггса. Эти частицы будет чрезвычайно трудно найти.

Поиски бозона Хиггса в ЦЕРНе начались еще на коллайдере LEP. После того, как другие научные цели были достигнуты и «частица Бога» была единственной оставшейся частью Стандартной модели, которую надо найти, сотрудники детектора LEP обратили свое внимание на эту самую неуловимую частицу. Незадолго до закрытия ускорителя в 2001 году во всех четырех экспериментах были дразнящие намеки на бозон Хиггса с массой примерно 114 ГэВ, но данных для каких-либо выводов недоставало. Казалось, что у LEP просто не хватало энергии для создания бозона Хиггса, если он вообще существовал. Команде ЦЕРНа пришлось передать команде Тэватрона право на охоту за бозоном, но только на некоторое время. Долгосрочная стратегия ЦЕРНа заключалась в том, чтобы использовать туннель для LEP и в будущих экспериментах XXI века. В 1984 году, за пять лет до запуска LEP, ЦЕРН уже приступил к разработке следующего шага – высокоэнергетического протон-протонного коллайдера, машины для открытий, чей энергетический потенциал будет намного превосходить 2 ТэВ Тэватрона и достигнет энергии центра масс в 14 Тэ В. Машина, которая впоследствии станет Большим адронным коллайдером.

Чтобы найти бозон Хиггса, потребовалось бы гораздо больше, чем ускорители и детекторы. К эпохе LEP и БАКа – а сейчас разработка проектов занимает так много времени, что мы можем говорить об эпохах – физика элементарных частиц стала сильно отличаться от того, какой она была прежде. Детекторы теперь строились из слоев специализированных субдетекторов, функционирующих подобно гигантским многослойным цифровым камерам с миллионами информационных каналов. Благодаря большему количеству столкновений, чем когда-либо прежде, и большему разрешению для обнаружения обломков в результате столкновений объем данных, полученных в ходе экспериментов, неуклонно рос. Когда LEP начал работать в 1989 году, калибровочные данные быстро превратились в гигабайты, а экспериментальные данные – в терабайты. Сегодня это не кажется таким уж необычным, но в 1989 году стандартный жесткий диск мог хранить всего несколько десятков мегабайт информации. Но куда девать остальные данные? Как сотрудники должны получать к ним доступ?

Эта «вычислительная проблема» представляла реальную опасность, с которой необходимо было разобраться. Всегда впереди планеты всей, ЦЕРН объединил свои компьютеры и мэйнфреймы в сеть и начал общаться по электронной почте (да, еще до 1990-х годов!). Но способа совместной работы и надежного доступа к данным пока никто не придумал. Именно в этот момент Тим Бернерс-Ли, выпускник физического факультета Оксфорда, работающий консультантом по программному обеспечению в ЦЕРНе, предложил объединить новые технологии в области компьютеров, сетей и гипертекста в систему, которая могла решить возникшую проблему. Он написал короткую статью с изложением своей идеи под названием «Управление информацией: предложение», на которой его начальник нацарапал: «Расплывчато, но захватывающе…»

Бернерс-Ли изобрел Всемирную паутину. Да, ту самую Всемирную паутину. Бернерс-Ли придумал три ключевые технологии, которые вы, вероятно, видите каждый день и которые лежат в основе интернета: HTML – язык гипертекстовой разметки, который является языком форматирования для интернета; URL – унифицированные указатели ресурса, которые представляют собой уникальные адреса, используемые для доступа к каждому ресурсу в интернете; и HTTP – протокол передачи гипертекста, протокол связи, используемый для подключения серверов и отправки информации. К 1990 году Бернерс-Ли опубликовал первый веб-сайт и создал первый веб-браузер. Остальное, как говорится, уже история.

Сегодня во всем мире насчитывается более 1,6 миллиарда веб-сайтов и 4,33 миллиарда активных пользователей интернета. Это 57 % от общей численности населения планеты. Среднестатистический пользователь проводит в Сети поразительные шесть с половиной часов каждый день. Хотя интернет (физическая сеть) существовал еще до Сети, на самом деле мы имеем в виду именно Сеть, когда говорим об «использовании интернета».

Невозможно оценить значимость интернета и почти немыслимо представить себе возвращение в эпоху, когда его не было. Со временем общество уже приспособилось к повсеместности его существования, но давайте рассмотрим это явление в контексте. В 2019 году правительство Индии ограничило доступ в интернет в Кашмире в попытке унять общественные протесты. Даже в этом бедном регионе это решение произвело невероятный эффект. Студенты, пытающиеся сдавать онлайн-экзамены, больше не могли получить международную квалификацию, интернет-торговля была разрушена, а фабрики, продающие товары, были отрезаны от покупателей; больницы и аптеки не могли заказывать лекарства для лечения пациентов. Ущерб экономике за девять месяцев, последовавших за введением блэкаута, оценивался в 5,3 млрд долл. при общем ВВП, составляющем около 17 млрд долл. Запрет был немного ослаблен в 2020 году из-за пандемии коронавируса, но на момент написания книги интернет все еще полностью не восстановлен.

Бернерс-Ли рано пришел к выводу, что для того, чтобы сеть процветала, она должна быть свободной. Как он говорит, «вы не можете позиционировать нечто в качестве универсального пространства и в то же время удерживать над ним контроль». В апреле 1993 года, когда в мире насчитывалось в общей сложности всего 600 веб-сайтов, ЦЕРН решил сделать программное обеспечение Всемирной паутины общественным достоянием без лицензионных платежей или патентов.

Сеть оказалась совершенно неожиданным побочным продуктом физики. Потребности физиков элементарных частиц и их совместный способ решения сложных проблем привел их к решению придумать способ обмениваться данными, который намного опережал другие сферы общества. В результате всего один творческий прорыв в благоприятной среде – и появилось одно из самых важных изобретений в нашем современном мире. Сегодня Бернерс-Ли занимает должность директора Консорциума Всемирной паутины, который продолжает следить за развитием интернета. В 2012 году, когда Лондон принимал Олимпийские игры, на церемонии открытия Бернерс-Ли сидел за маленьким столом в прямом эфире и писал в твиттере слова «ЭТО ДЛЯ ВСЕХ», которые освещали места на стадионе, как гигантский светодиодный экран. По иронии судьбы, телевизионные комментаторы США понятия не имели, кто он такой, и призывали своих зрителей поискать его в Google, используя технологию, которую он же и изобрел.

Для разрешения возникшей сложности было сформировано международное сотрудничество для создания глобальной сети волоконно-оптических сверхбыстрых соединений и огромных вычислительных центров, объединяющих ученых по всему миру. Называется эта сеть Worldwide LHC Computing Grid (WLCG – Всемирная вычислительная сеть БАК), но упоминается она обычно как «Грид». Система насчитывает более 200 тысяч серверов, расположенных в сотрудничающих странах по всему миру. Она может использоваться как для хранения, так и для обработки данных и успешно обеспечивает международное сотрудничество, которое так важно для успеха ЦЕРН.

Учтя все эти вычислительные и инженерные проблемы, Большой адронный коллайдер вернули в строй в 2009 году. Вскоре он начал сталкивать лучи и собирать данные из каждого эксперимента, а наличие «Грида» означало, что анализ проходил куда быстрее. Каждый день эстафета передавалась от часового пояса к часовому поясу, и анализ продолжался круглосуточно в какой-нибудь из стран мира. Коллеги в Австралии могли использовать и анализировать те же данные БАКа, что и физики в Европе, Соединенных Штатах и других государствах. Но они были не единственными, кто шел по следу бозона Хиггса.

На тот момент Тэватрон находился на стадии второго запуска, который начался в 2001 году, и был модернизирован с учетом поисков бозона Хиггса. Физики из Фермилаба знали, что они не могут достичь тех же энергий, что и БАК, но они надеялись, что смогут первыми найти «частицу Бога», если ее масса будет чем-то вроде «массы Златовласки»: ни слишком тяжелой (>180 ГэВ) – так как они не смогли бы создать такую частицу, – ни слишком легкой (<140 ГэВ), поскольку частица распадалась бы на боттом-кварки и терялась в шуме. Пока БАК набирал энергию и увеличивалась скорость его столкновений, возможности по поиску бозона Хиггса на Тэватроне тоже не отставали.

Команда Тэватрона яростно работала, анализируя свои данные. К началу 2011 года ученые смогли исключить массы до 103 ГэВ и между 147 и 180 ГэВ с 95-процентной достоверностью. Еще немного, уверяли они, и они найдут бозон Хиггса. Тем не менее на горизонте маячило сокращение бюджета, и в сентябре 2011 года Тэватрону суждено было остановиться. К июлю эксперименты на БАК исключили диапазон от 149 ГэВ до 190 ГэВ, но в сентябре, не имея возможности найти 35 млн долл. в год, необходимых Фермилабу для продолжения работы, Тэватрон отключили. И в конечном итоге Хелен Эдвардс наблюдала за церемонией усыпления гигантской машины, которую она с таким трудом заставила ожить почти три десятилетия назад. Теперь все взоры обратились к БАКу.

К декабрю диапазон массы бозона сузился до 115–130 ГэВ, сосредоточившись на области в 125 ГэВ, где и ATLAS, и CMS видели намеки на что-то захватывающее. Статистическая значимость данных была пока только на уровне 2 сигм, и физики не забывали об УпсЛеоне, но все же данные независимо подтверждались на двух экспериментах. Волнение среди физического сообщества можно было потрогать руками.

В июле 2012 года, после трех лет работы БАКа и напряженного периода анализа, мировое сообщество физиков элементарных частиц собралось на крупном мероприятии – Международной конференции по физике высоких энергий (сокр. ICHEP – от англ. International Conference in High Energy Physics), которая проходила в Мельбурне, Австралия. ЦЕРН провел пресс-конференцию из своего штаба недалеко от Женевы, которая транслировалась в прямом эфире – конечно, через интернет – в аудиторию в Мельбурне, где находилось большинство физиков. Я смотрела трансляцию из своего офиса в лаборатории Резерфорда – Эплтона недалеко от Оксфорда, как и миллионы людей, которые смотрели ее онлайн по всему миру.

Представители двух основных экспериментов, физики Джозеф Инкандела из Соединенных Штатов, работающий с CMS, и Фабиола Джанотти из Италии, работающая с ATLAS, выступили со своими докладами от имени тысяч ученых. Я была впечатлена уровнем научной детализации, который они предоставили, несмотря на присутствие средств массовой информации. Поскольку каждый из них показывал реконструкцию различных каналов распада бозона Хиггса, у меня голова шла кругом от того, сколько же работы стояло за каждым продемонстрированным графиком и числом.

Наблюдая за происходящим, я думала о своих коллегах, для которых этот день стал кульминацией десятилетий работы. У некоторых были офисы прямо по коридору, а некоторые находились на другом конце света от меня, в Мельбурне. Это была работа отдельных людей, объединившихся в небольшие команды примерно по 10–15 исследователей, каждая из которых взяла на себя ответственность за маленький кусочек головоломки. Затем эти команды объединились, сформировав более крупные команды или рабочие группы с другими институтами, которые затем объединили тысячи ученых в каждом эксперименте. Все они работали вместе в рамках самоорганизующейся системы управления, которая является отличительной чертой ЦЕРНа. В тот день с них взяли обязательство о неразглашении тайны, что было весьма необычно, но все мы знали, что нас ждет.

Когда презентации по физике были закончены, настала очередь немецкого физика элементарных частиц Рольфа-Дитера Хойера выйти на сцену в качестве генерального директора ЦЕРНа. Нескольких предварительных слов, глубокий вздох, и он объявил: «У нас открытие». Раздались радостные возгласы, физики обнимались и поздравляли друг друга. Они сменили страны, вырвали с корнем свои семьи, работали бесчисленное количество часов в уже нерабочее время и все время задавались вопросом, существует ли вообще то, что они так ищут. И вот у них получилось. Они открыли бозон Хиггса. Камера увеличила изображение восьмидесятидвухлетнего Питера Хиггса, по его щеке катилась слеза.

Если немного отступить в сторону и взглянуть на все, чего достиг ЦЕРН, одно только международное сотрудничество ошеломляет. В экспериментах на БАКе участвуют 110 различных стран, включая 23 государства – члена ЦЕРН и восемь ассоциированных государств-членов, страны-наблюдатели и страны, имеющие соглашения о сотрудничестве (например, Австралия). В его проектах участвует примерно половина из 13 000 физиков элементарных частиц в мире. Даже будучи признанным ученым, который регулярно работает в сотрудничестве в разных часовых поясах, я все еще с трудом понимаю работу настолько глобальной команды. Просто суметь начать, запустить первый луч, а затем произвести первые столкновения – уже подвиг, не говоря об успехе крупного открытия.

Как показывает пример с Всемирной паутиной, ЦЕРН работает иначе, чем другие крупные организации. ЦЕРН финансируется за счет денег налогоплательщиков, поэтому почти все, что он делает, – общественное достояние. ЦЕРН – сторонник идей открытой науки, открытых данных и открытого доступа. Даже сувенирный магазин должен подчиняться этому правилу: он не получает прибыль. Всемирная паутина выросла из этих принципов совместного использования и открытости, без малейшего представления о том, к чему в конечном итоге это может привести. Этот уникальный аспект работы ЦЕРНа не был упущен политиками и международными организациями.

В 2014 году ЦЕРН совместно с ООН отметил шестидесятилетие науки во имя мира. ЦЕРН является примером того, как нации могут работать сообща на благо мирового сообщества. Следуя модели ЦЕРНа, ряд других проектов наладил аналогичное сотрудничество, объединив страны, разделенные глубокими политическими разногласиями. СЕЗАМЕ (Международный центр по использованию синхротронного излучения в научных экспериментах и прикладных исследованиях на Ближнем Востоке), расположенный в Иордании, объединяет Бахрейн, Кипр, Египет, Иран, Израиль, Иорданию, Пакистан, Палестинскую национальную администрацию и Турцию. В юго-восточной Европе сформирована организация SEEIST (от англ. South-East European International Institute for Sustainable Technologies – Международный Юго-Восточный европейский Институт устойчивых технологий) – проект по созданию экономики знаний, который сосредоточен на новом исследовательском центре протонной и углерод-ионной терапии и исследований. ЦЕРН также помог создать и один из моих совместных проектов, STELLA (Умные технологии для продления жизни с помощью линейный ускорителей), где вместе с коллегами в странах Африки к югу от Сахары мы стремимся улучшить доступ к высококачественной онкологической помощи во всем мире, находя технологические решения при нехватке оборудования лучевой терапии.

Такого рода инициативы и сотрудничество необходимы для нашего общего будущего. Модель ЦЕРНа создает механизм международного сотрудничества с непревзойденным потенциалом для решения глобальных проблем. Сегодня ООН и ЦЕРН работают вместе, чтобы наладить сотрудничество для достижения целей в области устойчивого развития, многие из которых требуют научно-технических решений, включая решение проблем изменения климата, здравоохранения и доступа к продовольствию и воде.

ЦЕРН никоим образом не смог бы оказать того влияния, которое он оказывает, будь он мозговым центром одной страны или компанией, создающей технологические патенты. Тот же этос, что создал интернет, также породил стремление поощрять научные исследования и делать их результаты открытыми для общественности.

Конечно, интернет – не единственная не-физическая технология, полученная в ЦЕРНе. Для новых идей с коммерческим потенциалом существует целая команда по передаче знаний для их развития. Любой желающий может ознакомиться с текущим технологическим портфолио ЦЕРН онлайн, и среди примеров можно найти системы программного обеспечения для совместной работы, радиационно-стойкие детекторы, используемые в медицине, и компактные орбитальные фрезы для отрезания огромных кусков труб в полевых условиях. Уникальные требования, предъявляемые к крупным экспериментам ЦЕРНа, постоянно подталкивают промышленность к инновациям, чтобы поставлять самые современные компоненты. В ходе опроса 75 % поставщиков ЦЕРНа отметили, что они увеличили свой потенциал для внедрения инноваций благодаря заключению контрактов с организацией. Они также говорят об «эффекте ЦЕРНа», при котором каждый доллар стоимости контракта, заключенного с ЦЕРНом на поставку, обеспечивает увеличение товарооборота компании на 4 доллара.

Невозможно включить в одну главу все технологии, которые появились в результате недавних разработок в области физики элементарных частиц, но одну из них важно упомянуть, поскольку она встает в один ряд с технологиями медицинской диагностики. В дополнение к компьютерной томографии (глава 1) и МРТ (глава 11) физика элементарных частиц также сыграла решающую роль в разработке ПЭТ-сканеров (позитронно-эмиссионной томографии). ПЭТ не только напрямую использует позитроны (антивещество), но и применяет детекторы на основе кристаллов германата висмута Bi₄Ge₃O₁₂ (BGO), используемых для обнаружения потоков частиц. На основе этих кристаллов было создано более 1500 ПЭТ-сканеров по цене от 250 до 600 тысяч долл. за аппарат. В эпоху БАК требовались новые кристаллы, чтобы противостоять радиационному поражению от огромной частоты столкновений, что привело к появлению кристаллов нового типа, оксиортосиликату лютеция. Новые кристаллы имеют более высокую скорость отклика и производят в три раза больше света, чем кристаллы BGO. В настоящее время они считаются отраслевым стандартом для ПЭТ-сканеров. Команда ЦЕРН по передаче знаний передала эту технологию в массы еще до использования на БАКе, где она только сейчас внедряется в детекторы для модернизированной программы коллайдера.

Окажет ли какая-либо из существующих в портфолио ЦЕРНа технологий такое же влияние, как интернет? Трудно сказать. Вычислительная сеть БАКа еще не оказала такого же влияния в повседневной жизни, но уже широко используется за пределами физики элементарных частиц. «Грид» обеспечил доступ к большей вычислительной мощности, чем было возможно в других научных областях. Даже в первые дни своего существования «Грид» позволил разрабатывать новые противомалярийные препараты и анализировать 140 миллионов химических соединений – задача, которая заняла бы у стандартного компьютера 420 лет. Инфраструктура ЦЕРНа и открытая база знаний помогают другим ученым войти в сферу больших данных, создавая совершенно новые способы работы в других областях.

Такой сдвиг в сторону общих ресурсов стал повседневным явлением. Компании по всему миру используют тот же подход к созданию больших хранилищ данных, или облаков, где хранятся данные и где они доступны на удаленных серверах, а не на вашем личном компьютере. Если вы используете облачные сервисы, такие как Google Docs, Dropbox или другие, все они построены похожим образом. Разница между коммерческими облачными системами и грид-системой заключается в том, где именно хранятся данные. Грид-вычисления предполагают хранение данных и распределение вычислительной мощности среди множества разных компьютеров вместо использования для этого корпоративных облачных хранилищ. Сегодня пользователи все больше расстраиваются из-за того, что их данные хранятся в отдельных компаниях: вспомните проприетарные форматы Microsoft.docx или. xlxs или музыкальные коллекции Apple iTunes. Однако аспекты грид-технологии все чаще используются в качестве решения проблем облачных вычислений. Ключевой целью здесь является интероперабельность: возможность открытого переноса между системами. Она очень соответствует духу ЦЕРНа и тому, как Бернерс-Ли видел будущее Сети. Своего рода оптимальная облачная-грид система может в конечном итоге помочь и физикам элементарных частиц: она поможет преодолеть ограничения по размеру облачных систем и даст физикам возможность просто использовать благоустроенную общественную инфраструктуру.

Мы еще не закончили с тем, как Большой адронный коллайдер повлиял на современный мир, потому что не обсудили самое большое влияние такого замечательного эксперимента: обучение очень талантливых людей. БАК и его детекторы – это международная вдохновляющая меганаука. Многие из лучших и самых ярких молодых умов со всего мира приходят в физику как раз из-за таких крупных проектов, как этот, и тысячи из них получают докторскую степень именно в этой области. С моей стороны было бы упущением не ответить на вопрос, что же происходит после этого. Может показаться, что их дальнейший путь ясен, но такой вывод далек от истины.

В некоторых областях физики на каждую постдокторскую позицию претендует более 100 человек. Крупные лаборатории предлагают еще меньше академических должностей или постоянных рабочих мест. Со временем большинство этих высококвалифицированных и подготовленных специалистов сталкиваются с чрезвычайно трудным решением: остаться или уйти. Глубокая специализация создает уникальные проблемы, и у исследователей, у которых часто заканчиваются краткосрочные контракты, нет другого выбора, кроме как снова переехать в другую страну в поиске доступной работы или перейти на другую должность. Возможно, такой вариант подойдет тем, у кого есть средства, чтобы дождаться появления следующей подходящей вакансии, но для многих, включая меня, это было невозможно.

Я не раз за свою карьеру оказывалась на краю такого обрыва. Я также знаю по опыту многих близких друзей, коллег и сверстников, что не я одна испытывала необычайное эмоциональное напряжение, когда была вынуждена думать о том, чтобы оставить движимые любопытством масштабные исследования в области физики, которые я так люблю. Тем не менее мне приходилось задумываться о тех многих навыках, которыми я обладаю и которые я могла бы применить в другом месте. У меня есть навыки в области науки о данных, в решении проблем, в публичных выступлениях и в писательстве. У меня есть экспериментальные навыки, которые можно использовать в промышленности и планировании долгосрочных проектов. Я начала пересматривать свое резюме и просматривать сайты вакансий. Со временем я подумала, что могла бы преуспеть в стартапе, в политике или в консалтинге. Я поняла, что на самом деле могу делать все это, получать от этого удовольствие и влиять на мир. Я смирилась с тысячами других, более высокооплачиваемых вакансий, в которых я была бы хороша.

Это факт, что большинство людей с докторской степенью по физике в конечном итоге оставляют академические исследования. Отчет, в котором были опрошены 2700 бывших исследователей ЦЕРНа, показал, что 63 % из них теперь работают в частном секторе в таких областях, как передовые технологии, финансы и информационные технологии. Их навыки чрезвычайно востребованы в этих секторах: навыки решения проблем, программирования, крупномасштабного анализа данных, научной коммуникации и международного сотрудничества. Только в Великобритании ощущается нехватка так называемых STEM (наука, технология, инженерия и математика – от англ. Science, Technology, Engineering and Maths) в 173 тысячи человек, несмотря на то что Великобритания имеет репутацию мирового лидера в области науки и техники. Потребность в такого рода талантах будет только расти.

Когда я начала искать истории физиков элементарных частиц, которые применяли свои навыки в других областях, мне не нужно было далеко ходить, чтобы найти нескольких новаторов. Возьмем, например, Элину Берглунд, доктора физических наук, принимавшую участие в поисках бозона Хиггса в ЦЕРНе. Она обратила внимание на огромный пробел в знаниях о репродуктивных циклах женщин, поэтому начала отслеживать данные о своем теле, включая температуру. Вскоре она поняла, что может применить свои навыки в области статистики и анализа данных, чтобы узнать, когда она фертильна, и предположила, что эта идея может помочь другим женщинам, которые хотят естественным образом управлять своими гормональными циклами. Результатом стало приложение Natural Cycles, у которого сейчас более 1,5 миллиона пользователей по всему миру. По состоянию на 2020 год это единственное приложение, которое получило одобрение FDA (Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов) для использования в качестве контрацептива, способного изменить жизнь многих женщин.

Сейчас существует уже явный путь от физики элементарных частиц и других движимых любопытством исследований в области физики к высокотехнологичным стартапам, в частности к Кремниевой долине. Физиков привлекает к этой работе не только более высокая заработная плата, но и почти бесконечное разнообразие проблем, которые необходимо решить, как только они выйдут за пределы своей первоначальной области знаний. Особенно в США путь от программы докторантуры в Кремниевую долину сейчас настолько «протоптан» и так хорошо финансируется по сравнению с академическими исследованиями, что физикам бывает трудно удержать своих лучших выпускников.

Когда спустя несколько лет после защиты докторской диссертации пришло и мое время решать, оставаться или уходить, я поняла, что единственный способ остаться в физике – это работать на своих условиях. Я не могла повлиять на внешние факторы, связанные с краткосрочными контрактами, оплатой или финансированием, но я могла контролировать свое собственное окружение. Я создала сообщество физиков-единомышленников, особенно женщин, окружив себя похожими на меня людьми и, таким образом, избавившись от чувства изолированности. Я научилась просить то, что мне было нужно, что придало мне смелости приходить прямо в офис лидеров в моей области и просить их поддержать мои исследования – однажды я даже попросила открыть для себя вакансию. Это окупилось. Я решила работать над тем, что мне нравилось: например, над вовлечением общественности и улучшением исследовательской культуры, наряду с моими исследованиями, даже если это означало противодействие системе, которая говорила, что я не должна «тратить на это время». Я не взяла на себя миссию единолично «изменить физику» – это было бы глупой затеей, но я работала над созданием среды, в которой чувствовала себя продуктивной, желанной и довольной. И я знала, что, если у меня ничего не получится, я с радостью уйду.

В конце концов я осталась. Вместе со своими коллегами я с нуля построила новую лабораторию для небольшого эксперимента, в котором для имитации ускорителей частиц используется ионная ловушка. Я пыталась понять, как будут вести себя пучки частиц в будущих коллайдерах. Я взяла на работу своего первого аспиранта, и мы ввели оборудование в эксплуатацию. Я никогда раньше не строила оборудование для эксперимента с нуля, и это оказался невероятный опыт. Я не могла поверить, сколько всего может пойти не так и сколько времени уйдет на реализацию некоторых деталей. Однажды утром, через два года после того, как я решила остаться, мы решали некоторые проблемы с электронным шумом и заземлением – и впервые увидели небольшую вспышку на экране осциллографа. Мы ловили и извлекали ионы: наша первая важная веха. В конце дня я получила разрешение открыть шампанское в лаборатории, и мы пили его из пластиковых стаканчиков. Это было не совсем достижение уровня бозона Хиггса, но я все еще с трудом могла поверить в случившееся. Наш эксперимент удался.

Оглядываясь на это время, я больше всего поражаюсь тому, насколько мне повезло с замечательными людьми, которые меня окружают, и не только в трудное время в моей карьере, но и на протяжении всего пути: от моих первых учителей и наставников до непоколебимой поддержки моего научного руководителя, коллег и людей, которые, как я позже узнала, отстаивали меня даже без моего ведома. Я поняла, что физика – это гораздо больше, чем поиск того, как устроена Вселенная и все, что в ней есть. Это просто вопрос, вокруг которого мы объединяемся. Физика – это о людях. Звучит очевидно, когда я так говорю, не так ли?

Нигде это не проявляется так явно, как в невероятной истории БАКа, в которой более 10 тысяч ученых научились работать вместе для достижения общей цели, основанной на чистом любопытстве. Один только этот подвиг более чем стоит вложений. Но, конечно, эта история не заканчивается бозоном Хиггса. Физики БАКа по-прежнему усердно работают каждый день – как и все мы, – потому что с новыми данными, новыми идеями и новыми экспериментами, большими или малыми, мы можем задавать новые вопросы, становясь немного ближе к ответам и продолжая добиваться прогресса в нашем стремлении понять все.

БАК дал много интересных, заставляющих задуматься результатов, хотя и не таких значительных, как обнаружение бозона Хиггса. Новые результаты появляются каждый день: за последние 10 лет БАК обнаружил более 5 млн новых адронов – частиц, состоящих из кварков, – которые подкрепляют наши знания о сильном взаимодействии. Некоторые из них были даже предсказаны в теориях Гелл-Манна, но до недавнего времени были недостижимы. Физики БАКа также обнаружили много частиц, состоящих из четырех кварков (тетракварки) или пяти кварков (пентакварки), и все еще выясняют детали того, как они работают. Природа продолжает в изобилии предоставлять новые частицы, но все они описаны в Стандартной модели физики элементарных частиц.

Хотя у этих новых частиц есть особенности, которые помогают усовершенствовать Стандартную модель, большие надежды на новые экзотические частицы в диапазоне энергий БАКа до сих пор не оправдались. В чем-то это хорошо: мы исключаем теории со скоростью, возможно, невиданной ранее в истории физики. Это открывает потенциал для новых творческих идей и дает новые направления деятельности. Когда я спрашиваю своих коллег по экспериментальной физике элементарных частиц, разочарованы ли они этим – потому что многие так надеялись найти новые экзотические частицы, которые, по прогнозам теоретиков, лежат за пределами Стандартной модели, – большинство из них на удивление оптимистичны. В конце концов, они ищут то, что реально, независимо от их излюбленных теорий. Их тяжелая работа сейчас заключается в том, чтобы просеять огромное количество данных, полученных на БАКе, и увидеть, какие еще секреты хранит природа.

Однако не думайте, что мы просто углубляемся в детали и что путешествие физики почти подошло к концу и все важные явления уже открыты. Несомненно, до этого еще далеко. Еще раз – мы должны обратить внимание на пробелы в наших знаниях. Несмотря на невероятный успех Стандартной модели, наши уравнения не могут согласовать гравитацию со всеми другими силами. Мы не знаем, существует ли одна Вселенная или мы живем в так называемой мультивселенной. Известно, что нейтрино имеют массу и могут менять форму, но никто не знает, почему. Мы не знаем, почему нас окружает вещество, а не антивещество. Мы не знаем природы темной материи, которая пронизывает нашу Вселенную. Во многих отношениях бозон Хиггса – это только начало.