Коллайдер на полпути к полной остановке

Коллайдер на полпути к полной остановке

В преддверии грядущих словесных баталий между физиками руководство ЦЕРН решило сделать паузу и дистанцироваться от позитивизма

После первых пусков коллайдер в декабре 2009 был остановлен, чтобы подготовить его к работе на более высоких энергиях (до 3,5 ТэВ). В январе 2010-го в туннеле велись работы, во время которых пришлось заменить 4000 соединителей в системе сверхпроводящих кабелей. Фото: © CERN, Maximilien Brice

Большому адронному коллайдеру (Large hadron collider) предстоит новая остановка. Как сообщила 10 марта радиостанция BBC News, в конце будущего года его поставят на длительный ремонт, который продлится как минимум до конца 2012 года. Это не первая кардинальная перемена в сроках работы самого большого и дорогого экспериментального комплекса в арсенале современной науки. Еще совсем недавно планировалось, что энергия пучков протонов начиная с конца марта будет постепенно повышаться и к концу года достигнет значений, при которых будет возможно наблюдение событий с участием бозона Хиггса и одиночного t-кварка. Дальнейшее повышение энергии на протяжении 2011 года должно было подвести ученых к экспериментальному открытию слептонов (суперсимметричных партнеров лептонов).

Если же сообщение о «существенной перестройке всей архитектуры коллайдера» подтвердится, то эти долгожданные события отложатся в лучшем случае на два года. Ведь в ожидании перестройки коллайдер будет продолжать работать «вполнакала», не выходя за пределы 7 ТэВ. Но это не означает, что открытий на нем пока не будет.

Осенью прошлого года в Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН, Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire) разразился скандал. Сообщения о нём разместили не только зарубежные, но и отечественные новостные ресурсы. Ничего не поделаешь: ученые — те же люди, им тоже свойственна гордыня, зависть, тщеславие, жажда славы, недобросовестность или даже нечестность и многие другие обычные человеческие слабости. С расширением и ростом научного знания сама система науки становится всё более сложной, и эти «человеческие факторы» начинают играть в развитии научного знания всё более значимую и важную роль. Конфликты выходят за рамки научного сообщества и становятся достоянием широкой общественности. Ничего удивительного, всё в порядке вещей. И всё же в данном случае была одна важная особенность, которая осталась по большей части незамеченной. А может, просто не оцененной по достоинству.

Суета вокруг нейтрино

Вкратце история конфликта такова. Около десяти лет назад большая международная группа учёных, в которую входило более ста двадцати человек из Италии, России, Великобритании, Швейцарии, Франции, Испании, Болгарии, Австрии, приступила к проведению экспериментов по совместной программе. Цель этих экспериментов довольно узкая, служебная, и попытки разъяснить ее далеким от науки людям к успеху не приводят. По крайней мере, никаких сенсационных результатов, способных взбудоражить и научное сообщество, и широкие массы, не ожидалось.

Задача экспериментов заключалась в том, чтобы получить дифференциальные сечения рождения адронов во взаимодействиях протонов или пионов с различными ядрами — то есть угловые распределения вероятностей соответствующих процессов. На основании этих данных можно было в дальнейшем осуществить расчёт потоков нейтринных пучков в «ускорительных» нейтринных экспериментах, смоделировать развитие ливней вторичных частиц в атмосфере с предсказанием потоков атмосферных нейтрино, а также произвести численное моделирование и оптимизацию дизайна будущих мюонных ускорителей. Программа получила название HARP (CERN PS-214), и для её осуществления построили специальную установку.

Цилиндр внутреннего триггера — одна из основных деталей в детекторе HARP. Фото: © CERN, Laurent Guiraud

В результате работы этой установки производилась бомбардировка протонами целей, сделанных из тяжелых ядер, типа тантала, и тем самым создавались субатомные частицы, — пионы (π-мезоны). В дальнейшем эти пионы распадались на мюоны (μ-мезоны) и соответствующие нейтрино. Собирая эти мюоны в кольцо на специальном ускорителе, получившем название нейтринной фабрики (neutrino factory), предполагалось в дальнейшем получить устойчивый и плотный пучок нейтрино — этих загадочных и неуловимых частиц.

В зависимости от количества получаемых в эксперименте пионов можно оценить производительность будущих нейтринных фабрик, а также мощность нейтринных пучков в ускорителях, и решить другие, уже более понятные задачи.

Эксперименты проходили в 2001 и 2002 годах, и само их проведение не вызвало никаких проблем и разногласий в исследовательской группе. Проблемы начались, когда эксперименты закончились, в 2002 году, и связаны они были с интерпретацией полученных результатов и методиками их обработки, иными словами расчёта той физической реальности, о которой должен говорить эксперимент и которую мы не можем себе представить наглядно. Сначала возникли разногласия, а потом научный коллектив и вовсе раскололся на две группы. Одна из них получила название «группа HARP-CDP», ее возглавил прежний руководитель научного коллектива, сотрудник CERN, швейцарец Фридрих Дидак (Friedrich Dydak), другую назвали «официальный HARP». В первую входит около двадцати человек, во вторую — около ста.

Основной камень преткновения между двумя этими группами заключался в том, что конечные результаты работы необходимо было получить к определённому сроку, связанному с открытием Большого адронного коллайдера. В связи с этим эксперимент HARP продлился всего семнадцать недель, тогда как, по мнению Фридрих Дидака, наработка достаточного материала для удовлетворительной обработки результатов должна происходить на протяжении трёх-четырёх лет. Иными словами, материал, собранный за время проведения эксперимента, был количественно недостаточен для корректной интерпретации и выводов.

Это, разумеется, понимала и группа «официального HARP», и для более корректного представления результатов вводила в процессе обработки определённые эвристические поправки в формулу для расчета погрешностей. Вот они-то, собственно говоря, и явились предметом спора. Группа Дидака утверждала, что введение этих поправок никак оправдать невозможно и что они приводят к искусственному завышению достоверности эксперимента. Сотрудники группы предложили собственную методологию анализа данных. Две ведущих организации эксперимента — Итальянский национальный институт ядерной физики (INFN) и CERN — организовали экспертный совет, чтобы решить спор.

В марте 2007 года эксперты INFN выступили в защиту позиции Дидака. Эту же позицию несколько позднее поддержали и эксперты CERN. Однако это не остановило группу «официального HARP», и она опубликовала свою работу не только в известном архиве препринтов arXiv.org Корнеллского университета (Cornell University), но и выложила её на сайте препринтов CERN. Её опровержение группой Дидака, также выложенное на архиве Корнеллского университета, на сайте препринтов CERN помещено не было.

Официальной причиной отказа в публикации были содержащиеся в тексте препринта обвинения коллег в нарушении научной этики. В статье на сайте Американского института физики им. Нильса Бора (American Institute of Physics) приводятся слова вице-президента INFN Серджо Бертолуччи (Sergio Bertolucci), что Дидак вышел за рамки дозволенного, предъявив подобные обвинения сразу сотне своих коллег. «Если бы он согласился убрать из текста соответствующие фразы, препринт был бы опубликован», — заверил Бертолуччи.

Но всё-таки руководству CERN не удалось избежать неприятностей. Теперь ему пришлось дезавуировать своё прежнее решение и выступать с критикой экспертных групп, поддержавших позицию Дидака. По его новому мнению, обе методики далеки от совершенства, у каждой свои изъяны и недостатки, а данные эксперимента — «сырые» и неполные. Если бы эта история завершилась таким финалом — она представляла бы собой частный случай научной полемики и дискуссии и, наверное, со временем бы забылась. Однако руководство CERN сделало важные оргвыводы с далеко идущими последствиями. Оно решило заодно снять с себя всякую ответственность за все будущие научные публикации на своем сайте и содержащиеся в них научные результаты.

20 ноября 2000 года. Проводятся измерения магнитного поля перед началом эксперимента по программе HARP. До начала конфликта между физиками еще два года. Фото: © CERN, Laurent Guiraud

Отныне препринты исследовательских групп CERN, выкладываемые на сайте CERN, не рецензируются, и результаты, представленные в этих работах, больше не выражают официальной точки зрения CERN как научной организации — в них исследовательская группа отчитывается о проделанной работе так, как она сама считает нужным. Прежде всего это касается методики обработки полученных результатов и их интерпретации.

День непослушания forever

Случившаяся «демократизация», хотя имела довольно частный повод, носит системный характер и характеризует качественное изменение и трансформацию всей современной науки. О неизбежности изменений подобного рода, кстати, давно уже предупреждали философы науки, вызывая среди самих ученых только раздражение и едкие насмешки. Весьма эффектно сумел высмеять в конце 90-х французскую философскую элиту американский физик Ален Сокал (Alan Sokal). Тем не менее современная физика, в том числе экспериментальная, приобрела заметные отличия по сравнению с физикой столетней давности.

Во-первых, современный физический эксперимент беспрецедентно сложен. Уже давно стало нормой, а отнюдь не исключением из правил, такое положение вещей, при котором создает установку одно поколение ученых, а эксперимент на ней проводит уже другое. Вся эта деятельность вовлекает в свою орбиту тысячи участников из десятков стран мира, что определённым образом сказывается и на результатах научной деятельности, которая приобретает всё более общественный, а не индивидуальный характер. В таких отраслях научного знания, как физика элементарных частиц, статьями с пятьюстами соавторами уже никого не удивишь, встречаются статьи с тремя тысячами соавторов, по большей части незнакомых друг с другом. Во-вторых, эксперимент абсолютно утратил наглядность в том смысле, что экспериментатору приходится иметь дело только с огромными массивами чисел, которые ему каким-то образом необходимо соотнести с реальностью.

Перефразируя известный афоризм Льва Давидовича Ландау (1908–1968), ни теоретик, ни экспериментатор не могут представить себе эту реальность, хотя довольно успешно могут ее рассчитать. В-третьих, само сообщество ученых все больше виртуализируется благодаря развитию и все более широкому применению коммуникационных систем, прежде всего Интернета. В обработке результатов эксперимента теперь участвуют научные группы и сообщества, находящиеся за тысячи километров от места его проведения и формально не имеющие к нему прямого отношения. Публикаций результатов экспериментов на БАКе только на территории бывшего СССР с нетерпением ждут исследовательские группы в Москве, Обнинске, Дубне, Черноголовке, Харькове, Санкт-Петербурге, Гатчине, Новосибирске, Томске и многих других городах. Результаты их обработки и интерпретации по своему научному значению и ценности ничем не будут отличаться от результатов соответствующих работ, выполненных в самом CERN, и в этом отношении — отношении научной значимости — они будут эквивалентны.

Четыре шкафа хранилища данных для поддержки сети распределенных вычислений (LHC Computing Grid project) и пункт управления ими. В каждый шкаф вставляется до 6000 картриджей от 10 до 50 Гбайт со скоростью передачи данных до 12 Мбайт/с. Фото: © CERN, Patrice Loïez; Emerik Malandain

Как только Большой адронной коллайдер приблизится, наконец, к заявленной мощности в 14 ТэВ, поток данных будет так велик, что специалисты CERN не смогут с ним справиться самостоятельно. Следящая система коллайдера регистрирует десятки тысяч частиц, образующихся при каждом столкновении. Информация с этой системы — примерно 1 DVD в секунду. Ни один научный центр с обработкой таких объемов информации самостоятельно справиться не может, поэтому создается мировая сеть распределенных вычислений GRID. Эта сеть предназначена для обмена информацией о проводимых вычислениях в реальном времени, когда компьютеры перераспределяют работу между собой и вместе решают задачу.

Коли так, то и введение дополнительной «демократии» в науке выглядит вполне оправданным и логичным шагом. Идея своего рода предварительного бета-тестирования научной публикации совсем не так плоха. Но тогда конфликты вроде того, что разразился во время проведения эксперимента HARP, также окажутся скорее вариантом нормы, а не досадным отклонением от нее. При широком вовлечении большого количества учёных в обработку экспериментальных данных вопросы различия методологий и интерпретаций обязательно возникнут. В отсутствие единого официального института, несущего всю полноту ответственности за научный результат, судьёй таких споров может быть научная общественность, специалисты, не имеющие личной заинтересованности в интерпретации результатов. И далеко не факт, что таковые найдутся в достаточном количестве, а тем более не факт, что именно они смогут выступить в качестве облеченных доверием представителей научной истины.

Эксперимент HARP носил слишком специальный характер, а сообщения о нем в публичной прессе были слишком невнятны, чтобы непосвященный читатель мог понять, по какому поводу ученые обвиняют друг друга в нечестности. Однако со временем будут обсуждаться реакции с участием бозона Хиггса и тестироваться уже ставшие привычными даже уху далекого от науки обывателя теория струн / М-теория («жизнь на бране») или другие обсуждавшиеся в научно-популярных журналах экзотические теории.

В случае повторения ситуации, возникшей в эксперименте HARP в применении, например, к обнаружению бозона Хиггса, одна группа исследователей, руководствуясь своими аргументами, может говорить об обнаружении этого бозона, тогда как их возможные оппоненты, руководствуясь своей методикой обработки данных, станут это отрицать. То же касается и «тестирования» теории струн, да и вообще любых результатов, претендующих на фундаментальность. Иными словами, фактор «коллективного субъекта» или «коллективного субъективного» в подобной ситуации становится весьма значимым, и по мере усложнения и развития научного знания и его экспериментальной составляющей не существует методик, позволяющих свести его влияние к нулю. А это означает, что зависимость фундаментальной физической реальности от субъективных факторов процесса познания внезапно станет реально ощутимой.

Участники эксперимента HARP. Декабрь 2001 года. Фото: © CERN, Patrice Loïez; Maximilien Brice

С точки зрения философии науки этот вывод не нов. Концепции абсолютно объективного, независимого от человека знания, представленные позитивизмом и его разновидностями, уже давно исчерпали себя. В целом ряде теоретических представлений науки, таких как постпозитивизм или марксизм, положение о неустранимости субъективных элементов в научном знании, причём не только гуманитарном, но и фундаментальном, является одним из основных положений.

Специфика ситуации, сложившейся в интерпретации результатов эксперимента HARP и её возможное развитие в работе БАКа имеет иллюстративный, наглядный характер, подчёркивая специфику науки XXI столетия. В таких сложных областях научного знания, как физика элементарных частиц и физика высоких энергий, количество перешло в новое качество. Дальнейшая тенденция развития научного знания, вероятно, будет происходить именно в этом ключе. К этому должна быть готова сама наука и должно быть готово общество.

Необходимо осознать, что за подобными явлениями и конфликтами скрываются не недоразумения и неудовлетворённые амбиции, а такова природа современного научного знания. Общество должно быть готовым принять его таковым и содержать его со всеми его проблемами и противоречиями.

Однако для изменения общественных стереотипов о научной деятельности и её результатах нужно время, которого так не хватает в бурном течении событий и явлений современного мира.

И в этом смысле вынужденная пауза в работе Большого адронного коллайдера, о которой уже объявили СМИ, но о которой пока нет никаких сообщений на официальном сайте коллайдера, может быть рассмотрена как благо и должна использоваться научным сообществом для популяризации и пропаганды новых критериев и принципов функционирования науки, поскольку их общественное непонимание может иметь для дальнейшего развития науки самые тяжелые последствия.