Помоги проекту - поделись книгой:
(
В начале 1950-х диффузионную камеру сменила пузырьковая, которую изобрел американский физик Дональд Глазер, хотя принцип ее работы очень похожий. Пузырьковая камера наполнена жидкостью с температурой близкой к точке кипения. Заряженная частица, проходя сквозь жидкость, опять-таки оставляет за собой след из заряженных ионов и электронов. Если затем давление выше жидкости понизить, она начинает кипеть. Однако сначала она закипит вдоль следа ионов, образуя пузырьки, благодаря которым след становится видимым. После этого след можно сфотографировать, а давление повысить, чтобы прекратить дальнейшее кипение.
Преимущество пузырьковой камеры в том, что жидкость в камере может также служить мишенью для частиц ускорителя. В большинстве пузырьковых камер используется жидкий водород, но также в них можно использовать более тяжелые жидкости, например пропан и фреон (как в старых холодильниках).
Единственным следом безмюонного события такого типа, который искал Вайнберг, был всплеск адронов, который бы внезапно появился в детекторе, как бы из ниоткуда. Но такой таинственный всплеск адронов мог бы иметь и множество других, довольно обыденных объяснений. Мюонные нейтрино могли ударить по атомам в стенках детектора и оторвать нейтроны, из которых в дальнейшем могли получиться адроны, зафиксированные детектором. Продуктом событий «выше по течению» детектора могли стать нейтроны, а их продуктом адроны. А если мюон, образованный во время события с заряженным током, рассеивался с большим углом отдачи, его вполне было можно пропустить и не заметить. Подобные фоновые события можно было легко списать как истинные безмюонные события и потому по ошибке идентифицировать как слабые нейтральные токи.
Экспериментаторов очень волновали трудности подобных поисков. В списке экспериментальных приоритетов, который составили физики ЦЕРНа в ноябре 1968 года, на самом верху стояли W-частицы, а поиск слабых нейтральных токов занимал скромное восьмое место. «Дело в том, что вплоть до 1973 года не было надежных данных в пользу нейтральных токов, но было много данных против них», – написал оксфордский физик Дональд Перкинс[97].
Однако к весне 1972 года огромные теоретические успехи выдвинули поиск нейтральных токов в самый верх списка. Физики стали задумываться о том, что, может быть, у них есть шанс получить окончательный ответ.
Большая и все растущая международная коллаборация во главе с физиком ЦЕРНа Полем Мюссе, Андре Лагарригом из ускорительной лаборатории в Орсэ и Дональдом Перкинсом работала над крупнейшей пузырьковой камерой с тяжелой жидкостью, которую назвали Гаргамель[98]. Гаргамель построили во Франции при финансировании французской Комиссии по атомной энергии и установили в ЦЕРНе в 1970 году рядом с протонным синхротроном на 26 ГэВ. На создание Гаргамель ушло шесть лет, он был сконструирован специально для изучения столкновений с участием нейтрино.
Гаргамель проработал почти год и дал множество безмюонных событий, которые физики отмели как фоновый шум от блуждающих нейтронов. Но потом экспериментаторы посмотрели на эти события с новым интересом.
Трудность состояла в том, чтобы отличить истинные безмюонные события со слабыми нейтральными токами от событий с фоновыми нейтронами и рассеянием мюонов под большими углами и неправильной идентификации. Это была кропотливая и весьма неблагодарная работа, но в конце 1972 года физики, совместно работавшие на Гаргамеле в составе группы из семи европейских лабораторий, а также гостей из Америки, Японии и СССР, начали думать, что им все-таки удалось что-то найти. Однако мнения даже внутри группы разделились, хотя не столько по поводу реальности самих нейтральных токов, а скорее по поводу того, можно ли считать собранные ими данные достаточно убедительными.
Тем временем поиск начался и в США. В Национальной ускорительной лаборатории (NAL)[99] в Чикаго был построен крупнейший в мире протонный синхротрон, достигший расчетной энергии 200 ГэВ в марте 1972 года. Итальянский физик Карло Руббиа из Гарварда, Альфред Манн из Пенсильванского университета и Дэвид Клайн из Висконсинского университета использовали генерируемые синхротроном пучки мюонных нейтрино для поиска безмюонных событий. Команда ЦЕРНа ушла вперед, но их предварительные данные были неокончательными. Честолюбивый Руббиа решил стать первым.
Найти безмюонные события было легко. Трудно было доказать, что они происходят из слабых нейтральных токов. Когда Мюссе представил новые предварительные данные в начале 1973 года, не было ни торжественных фанфар, не заявлений об открытии, к которому все так стремились.
Преимущество группы из Национальной ускорительной лаборатории позволило догнать физиков ЦЕРНа. Их синхротрон был мощнее, он был способен создавать больше событий с рассеянием мюонного нейтрино за меньшее время. Их детектор также работал с более крупной массой мишени, чем Гаргамель, что повышало шансы обнаружения событий с рассеянием. Все эти факторы сказались на уменьшении воздействия фоновых нейтронов, но ничего нельзя было сделать с мюонами, которые рассеивались под большими углами и «убегали» от обнаружения. Руббиа со своей гарвардской командой пытался учесть долю этих событий при помощи компьютерных симуляций, для этого он вычитал их теоретически предполагаемое количество из количества безмюонных событий, установленных экспериментально, чтобы таким образом получить количество истинных мюонных событий.
Это был довольно натянутый компромисс, и Манна с Клайном одолевали глубокие сомнения. Руббиа, понимая, что физики ЦЕРНа тоже накапливают массу данных, сильно торопился[100]. Манн и Клайн слишком хорошо осознавали, что подобное напряжение может легко привести к самообману, к убеждению в существовании чего-то, чего на самом деле не существовало. Они призывали к осмотрительности.
Известия об успехе физиков Национальной ускорительной лаборатории достигли ЦЕРНа в июле 1973 года.
В письме Лагарригу Руббиа заявил, что они накопили «около ста однозначных событий» [с нейтральными токами][101]. Дальше он предложил обеим группам опубликовать данные о своих находках одновременно. Лагарриг вежливо отказался. Физики ЦЕРНа установили истинно безмюонные события в столкновениях мюонных нейтрино с нуклонами и оценили отношение событий с нейтральными токами к событиям с заряженными как 0,21. Для столкновений с мюонными антинейтрино отношение составило 0,45. После этого физики объявили, что наконец-то нашли слабые нейтральные токи, и отправили статью в журнал Physics Letters. Журнал опубликовал ее в сентябре.
По расчетам группы Национальной ускорительной лаборатории, отношение нейтральных к заряженным токам для столкновений с мюонным нейтрино и антинейтрино составляло 0,29, что вполне согласовалось с результатами ЦЕРНа[102].
В этот критический момент у Руббиа истекла американская виза, и, хотя он был профессором в Гарварде, ему грозила депортация. На апелляционном слушании в Службе иммиграции и натурализации США он вышел из себя. Не прошло и суток, как он уже был на борту самолета, улетающего из страны.
Без Руббиа сотрудники Национальной лаборатории пошли на попятную. Их статью, представленную в журнал Physical Review Letters в августе, отвергли рецензенты, озабоченные тем, что не была как следует решена проблема исключения ошибочных безмюонных событий. Тогда Клайн и Манн перестроили детектор, намереваясь решить вопрос так или иначе.
Истинные безмюонные события сразу же исчезли, а отношение нейтральных к заряженным токам упало всего до 0,05. Физики Национальной ускорительной лаборатории убедились, что предыдущие результаты были заблуждением.
Руббиа был также заметной фигурой в ЦЕРНе и решил поднять шум. Он сказал генеральному директору ЦЕРНа Виллибальду Йенчке, что коллектив Гаргамеля совершил большую ошибку. ЦЕРН по-прежнему был в глубокой тени по сравнению с более известными американскими соперниками, и его репутация в мире пострадала из-за предыдущих промахов. Многие европейские физики склонялись к мнению, что результаты Гаргамеля ошибочны, и даже один из ведущих физиков ЦЕРНа поставил половину своего винного погреба на неверность результатов. Йенчке пришел в ужас при мысли, что репутация ЦЕРНа снова пострадает, и созвал физиков Гаргамеля на совещание. Оно было похоже на допрос в инквизиции.
Однако физики Гаргамеля, хотя их и потрясло такое развитие событий, упорно стояли на своем. Они не собирались отказываться от своих выводов. Перкинс столкнулся с Йенчке в церновском лифте и подбодрил его. «Я знал, что группа много раз проверяла анализ событий, и почти целый год мы искали другое объяснение для наблюдаемых событий, но безуспешно, – сказал Перкинс. – Поэтому я считал, что результат абсолютно надежен и [Йенчке] надо просто не обращать внимания на слухи из-за Атлантики. Не знаю, успокоили его мои слова или нет, но из лифта он вышел с улыбкой»[103].
Руббиа вернулся в Национальную ускорительную лабораторию в начале ноября, и тамошняя группа стала работать над совсем другой статьей, где заявлялось, что, вопреки последним отчетам ЦЕРНа и предсказаниям электрослабой теории, слабые нейтральные токи не найдены.
Дальше случился довольно неуклюжий разворот на 180 градусов. В середине декабря 1973 года физики Национальной ускорительной лаборатории поняли, что их детекторы ошибочно установили пионы, образующиеся в других столкновениях с нейтрино, как мюоны. Из-за этого количество безмюонных событий буквально свелось на нет. Слабые нейтральные токи вернулись. Клайну пришлось признать, что «вполне возможно, что данные говорят о безмюонном сигнале порядка 10 процентов»[104]. Он не мог найти, что бы заставило эти события исчезнуть. Группа Национальной ускорительной лаборатории решила снова отправить в журнал свою первоначальную статью, внеся в нее соответствующие изменения. Статья вышла в Physical Review Letters в апреле 1974 года.
Некоторые физики в шутку называли открытие «переменными нейтральными токами».
В середине 1974 года другие лаборатории подтвердили результат, и путаница рассеялась. Слабые нейтральные токи стали экспериментальным фактом.
Однако следствия этого открытия оказались даже еще важнее. Слабые нейтральные токи подразумевали существование «тяжелых протонов», ответственных за перенос слабого взаимодействия. И если при распаде странных частиц нельзя было установить нейтральных токов, то причиной должно было быть то, что их подавляет механизм ГИМ.
Иными словами, должен существовать четвертый кварк.
7
Значит, это и есть W-частицы
Наконец-то фрагменты головоломки стали складываться. Оказалось, что загадка существования точечных частиц, свободно движущихся внутри нуклонов, что обнаружилось в экспериментах по глубоко неупругому рассеянию в Стэнфордском центре ускорителей, совсем не загадка, а прямое следствие природы сильного ядерного взаимодействия, которое ведет себя вопреки очевидному.
Представляя себе характер взаимодействия между двумя частицами, чаще всего мы вспоминаем о таких примерах, как гравитация и электромагнетизм, в которых чем ближе частицы друг к другу, тем взаимодействие между ними сильнее[105]. Но сильное ядерное взаимодействие ведет себя совсем по-другому. Его сила проявляется в так называемой асимптотической свободе. В асимптотическом пределе нулевого разделения между двумя кварками они перестают взаимодействовать и становятся полностью «свободными». Однако чем больше они отделяются друг от друга, подходя к границам нуклона, тем крепче их держит сильное взаимодействие и не пускает наружу.
(
Похоже, будто кварки привязаны к концам прочной резинки. Когда кварки находятся на близком расстоянии внутри нуклона, резинка не натянута и между ними нет или почти нет взаимодействия. Оно возникает, только когда мы пытаемся отдалить кварки друг от друга и натягиваем резинку (см. рис. 17).
В конце 1972 года принстонский теоретик Дэвид Гросс решил показать, что асимптотическая свобода просто невозможна в квантовой теории поля. Вместо этого с помощью своего студента Фрэнка Вильчека он умудрился доказать прямо противоположное. Квантовые теории полей, основанные на локальных калибровочных симметриях, могут создавать условия для асимптотической свободы. Молодой гарвардский аспирант Дэвид Политцер независимо пришел к такому же открытию. Их статьи вышли бок о бок в июньском номере Physical Review Letters[106].
В июне Гелл-Манн опять поехал в Аспенский центр, сжимая в руке препринты статей Гросса – Вильчека и Политцера. К нему присоединился Фрицш и Генрих Лейтвилер, швейцарский теоретик из Бернского университета, который в то время находился в Калтехе. Вместе они разработали квантовую теорию поля Янга – Миллса для трех цветных кварков и восьми цветных безмассовых глюонов[107]. Чтобы объяснить асимптотическую свободу, глюоны должны были переносить цветной заряд. Никаких трюков с участием механизма, подобного хиггсовскому, не требовалось.
Новой теории нужно было имя. В 1973 году Гелл-Манн и Фрицш назвали ее квантовой адронной динамикой, но следующим летом Гелл-Манн решил, что придумал название получше. «У теории было много достоинств и не было ни одного известного недостатка, – объяснил он. – Следующим летом в Аспене я придумал назвать теорию квантовой хромодинамикой, или КХД, и настойчиво предлагал его Хайнцу Пагельсу и другим»[108].
Великий синтез, объединивший теории сильного и электрослабого взаимодействия в единой структуре SU(3) × SU(2) × U(1), казалось, наконец-то близок.
Но хотя асимптотическая свобода могла объяснить, почему кварки очень слабо взаимодействуют в адронах, она не объясняла, почему кварки всегда заключены внутри. Физики изобретали разные живописные модели. В одной окружающие кварки глюонные поля представлялись в виде узких трубок или струн цветного заряда, которые натягиваются между кварками по мере их разделения. Когда кварки расходятся в разные стороны, струна напрягается, потом растягивается, и сопротивление дальнейшему напряжению растет, чем больше она растягивается.
В конце концов струна рвется, но на таких энергиях, которых хватило бы для спонтанного возникновения пар кварк – антикварк из вакуума. Таким образом, например, нельзя вытянуть кварк из нуклона без возникновения антикварка, который тут же спарится с кварком и образует мезон, и другого кварка, который займет его место внутри нуклона. В конечном итоге энергия канализируется в спонтанное создание мезона, и отдельные кварки не наблюдаются. Кварки не столько заключены внутри нуклона, сколько никогда, просто никогда, не встречаются без компаньона[109].
Энергия изолированного, так сказать, «голого» цветного заряда велика. В принципе энергия одного изолированного кварка бесконечна. Кварк быстро накапливает оболочку из виртуальных глюонов, стремясь замаскировать цветной заряд, и энергия возрастает. Требуется гораздо меньше энергии, чтобы замаскировать заряд либо за счет спаривания с антикварком того же цвета, либо сочетания с двумя другими кварками разных цветов, так чтобы общий цветной заряд был равен нулю и получившаяся в результате целая частица была «белой».
Однако заряд кварка нельзя полностью замаскировать. Для этого нужно было бы каким-то образом сложить кварки в кучу. Но кварки похожи на электроны – это квантовые частицы со свойствами одновременно волны и частицы. Согласно принципу неопределенности Гейзенберга, установление положения кварков приведет к бесконечной неопределенности их импульсов. Таким образом, возникает возможность бесконечного импульса, что тоже требует огромных ресурсов.
Природа соглашается на компромисс. Цветной заряд не может быть полностью замаскирован, но энергия связанных глюонных полей может уменьшиться до управляемой величины. Тем не менее это существенная величина. Как оказалось, (гипотетические) массы верхних и нижних кварков довольно малы, в интервале между 1,5 и 3,3 МэВ и между 3,5 и 6,0 МэВ соответственно[110]. Измеренная масса протона составляет 938 МэВ, масса нейтрона – около 940 МэВ. Суммарная масса двух верхних кварков и одного нижнего кварка составит около 4,5–9,9 МэВ. Так откуда же берется остальная масса протона? Она берется из
«Зависит ли инерция тела от содержания в нем энергии?» – спрашивал Эйнштейн в 1905 году. Ответ: да. Около 99 процентов массы протонов и нейтронов – это энергия, переносимая безмассовыми глюонами, которые удерживают кварки внутри нуклонов. «Масса, казалось бы неразложимое свойство материи, синоним ее инертности и сопротивления переменам, – писал Вильчек, – оказывается проявлением гармоничного взаимодействия симметрии, неопределенности и энергии»[111].
Глэшоу посетил Брукхейвенскую лабораторию в августе 1974 года, чтобы опять уговорить экспериментаторов начать поиск очарованного кварка. Его услышал американский физик Сэмюэл Тинг. Он готовился исследовать высокоэнергетические протон-протонные взаимодействия на 30-гигаэлектронвольтном сильнофокусирующем синхротроне и как следует поискать электрон-позитронные пары в неразберихе образующихся адронов.
Когда данные показали, что электрон-позитронные пары накапливаются в узком «резонансе» при энергии около 3 ГэВ, экспериментаторы даже не знали, что об этом подумать. Они хотели устранить очевидные источники ошибок и перепроверить анализ. Безрезультатно. Пик упорно фиксировался на 3,1 ГэВ и упорно оставался узким. Возникло подозрение, что они напали на какое-то новое физическое явление.
Тинг предпочитал не рисковать. У него была репутация человека, который находит ошибки в экспериментах других физиков, и ему не хотелось, чтобы кто-то нашел ошибки у него. Его убеждали опубликовать результаты, но он отказывался, пока они не смогут подтвердить свои данные.
Тем временем на Западном побережье США у физика Стэнфордского университета Роя Швиттерса возникла одна проблема. В середине 1973 года в Стэнфордском центре ускорителей вступил в строй Стэнфордский асимметричный накопитель позитронного и электронного пучков (сокращенно SPEAR), в котором начали сталкивать разогнанные электроны и позитроны. Швиттерс нашел ошибку в одной из компьютерных программ, которые использовались для анализа данных, полученных в ходе экспериментов на SPEAR. Исправив ошибку, он снова проанализировал данные экспериментов за июнь 1974 года и увидел некоторую упорядоченность – маленькие бугорки на энергиях 3,1 и 4,2 ГэВ. Руководитель проекта американский физик Бертон Рихтер в конце концов распорядился реконфигурировать SPEAR для энергии столкновений около 3,1 ГэВ, так чтобы экспериментаторы вернулись и посмотрели еще раз.
К ноябрю 1974 года стало ясно, что и группа Тинга в Брукхейвене, и группа Рихтера в Стэнфордском центре открыли одну и ту же новую частицу, мезон, образованный очарованным кварком и очарованным антикварком. Группа Тинга решила назвать ее J-частицей, а группа Рихтера назвала ее ψ (пси). Это совместное открытие позднее окрестили ноябрьской революцией.
После этого случилась небольшая неразбериха из-за первенства. Обе группы не хотели уступать право первенства и признавать название мезона, которое ему дала другая группа, и его до сих пор называют J/ψ-мезоном. Тинг и Рихтер разделили Нобелевскую премию по физике за 1976 год.
Открытие J/ψ-мезона стало триумфом теоретической и экспериментальной физики. Кроме того, оно помогло привести в порядок структуру фундаментальных частиц – основу того, что быстро превращалось в современную Стандартную модель физики элементарных частиц.
Она состояла уже из двух поколений фундаментальных частиц, каждое из которых включало два лептона и два кварка, а также частицы – переносчики взаимодействий между ними. Электрон, электронное нейтрино, верхний кварк и нижний кварк входят в первое поколение. Мюон, мюонное нейтрино, странный кварк и очарованный кварк – во второе поколение, они отличаются от первых прежде всего массами. Фотон переносит электромагнитное взаимодействие, W– и Z-частицы переносят слабое ядерное взаимодействие, а восемь цветных глюонов – сильное ядерное или цветовое взаимодействие между цветными кварками.
Но к весне 1977 года были накоплены убедительные данные в пользу даже еще более тяжелого варианта электрона, который назвали тау-лептоном. Однако это было не то, что хотели услышать физики.
Тау-лептону требовалось тау-нейтрино, и неизбежно стали возникать гипотезы, что на самом деле это
Хотя третье поколение лептонов и кварков проявилось довольно неожиданно, оно очень легко встроилось в Стандартную модель (см. рис. 18). На симпозиуме в Фермилабе в августе 1979 года были представлены данные о так называемых струях кварков и глюонов, полученных в экспериментах по электрон-позитронной аннигиляции. Это направленные всплески адронов, возникающие в процессе образования пары кварк – антикварк, причем один из кварков также «высвобождает» энергетический глюон. Эти характерные «трехструйные» события самым поразительным образом продемонстрировали кварки и глюоны.
До сих пор не хватало истинного кварка, как и непосредственных данных о W– и Z-частицах, переносчиках слабого взаимодействия. Когда Стандартная модель стала общепринятой, Глэшоу, Вайнберг и Салам узнали, что им собираются вручить Нобелевскую премию по физике 1979 года за их работу над единой электрослабой теорией.
Теперь соревнование шло за то, кто первым соберет все частицы и закончит коллекцию. В своей Нобелевской лекции Вайнберг объяснил, что электрослабая теория предсказывает массы W– и Z-частиц примерно на уровне 83 ГэВ и 94 ГэВ соответственно[112].
Еще в июне 1976 года ЦЕРН ввел в действие свой протонный суперсинхротрон (ПСС) – 6,9-километровый кольцевой протонный ускоритель, способный генерировать энергию частиц до 400 ГэВ. За месяц до его пуска протонный ускоритель в Фермилабе превзошел эту энергию, достигнув 500 ГэВ. Но когда частицы разбиваются о неподвижные мишени, это приводит к значительным потерям, поскольку отскакивающие частицы забирают энергию. В установках такого вида энергия, которую можно было бы направить на создание новых частиц, растет только как квадратный корень из энергии частицы в пучке.
Стандартная модель физики элементарных частиц описывает отношения трех поколений материальных частиц через три вида взаимодействий, переносимых частицами поля, называемых также переносчиками взаимодействий
Следовательно, столкновения частиц, даже ускоренных до такой энергии, на которую был способен ПСС или ускоритель в Фермилабе, могли дать новые частицы только гораздо меньшей энергии. Чтобы достичь энергии, предсказанной для W– и Z-частиц, понадобится гораздо более мощный ускоритель, чем любой из уже построенных.
Был и другой выход. Идея столкновения пучков ускоренных частиц развивалась в 1950-х годах. Если пустить ускоренные частицы по двум связанным кольцам в противоположных направлениях, тогда можно привести пучки в лобовое столкновение. Тогда
Такие
В апреле 1976 года в ЦЕРНе собралась исследовательская группа, чтобы дать заключение по поводу нового крупного проекта – строительства Большого электронпозитронного коллайдера (БЭП). Его предполагалось построить в 27-километровом кольцевом туннеле у Женевы под швейцарско-французской границей. Протонный суперсинхротрон должен будет разгонять электроны и позитроны до скоростей близких к скорости света и инжектировать их в кольцо коллайдера. Сталкиваться будут частицы (в данном случае электроны) и их античастицы (позитроны), циркулирующие в противоположных направлениях по одному кольцу. Исходная расчетная энергия составляла 45 ГэВ для каждого пучка, что в сумме даст энергию лобовых столкновений 90 ГэВ и подведет БЭП к самой границе энергий W– и Z-частиц.
У американского физика Роберта Уилсона, директора Фермилаба, были еще более грандиозные планы. Он хотел построить адронный коллайдер, способный достигать энергии столкновения 1 ТэВ (1000 ГэВ, тераэлектронвольт, или триллион электронвольт). В итоге он получит название Тэватрон. Такой коллайдер потребовал бы для ускорения частиц еще неиспытанных сверхпроводящих магнитов. И пока это было всего лишь предположение.
В такой ситуации находились физики, изучавшие высокоэнергетические частицы, в 1976 году. Церновский протонный суперсинхротрон мог разгонять частицы до 400 ГэВ, а ISR мог достигать энергии столкновения 52 ГэВ, но ни первого, ни второго не хватало для обнаружения W– и Z-частиц. БЭП в принципе мог бы их обнаружить, но он начнет работу только в 1989 году. Главное кольцо Фермилаба могло разгонять частицы до 500 ГэВ, чего все так же недоставало для обнаружения W– и Z-частиц. Тэватрон, теоретически способный достичь энергии столкновения в 1 ТэВ, еще не сошел с чертежной доски.
Физикам не хватало терпения ждать. «Потребность обнаружить W– и Z-частицы была так сильна, – вспоминает физик ЦЕРНа Пьер Дарьюла, – что даже самые терпеливые из нас были недовольны долгим проектированием, разработкой и строительством БЭПа. Возможность поскорее (и, хорошо бы, без загрязнения) взглянуть на новые бозоны была бы очень кстати»[114]. Терпение заканчивалось и у физиков Фермилаба.
Физикам по обе стороны Атлантики нужно было придумать, как с помощью имеющихся возможностей добраться до этого важнейшего уровня энергии.
Один возможный выход появился в конце 1960-х. В принципе ускоритель частиц можно было превратить в адронный коллайдер: пустить пучки протонов и антипротонов по кольцу ускорителя в противоположных направлениях. Тогда пучки можно было бы привести к лобовому столкновению. Протон-протонный коллайдер требовал двух пересекающихся колец, в которых пучки протонов движутся в противоположных направлениях, но протонантипротонные столкновения можно было устроить в одном кольце. Тогда можно было бы достичь энергии столкновений, которая вдвое больше энергии ускорителя.
Но это было не так просто. Антипротоны получаются в результате столкновения высокоэнергетических протонов с неподвижными мишенями (например, медными). Нужен миллион таких столкновений, чтобы получился единственный антипротон. Хуже того, возникающие антипротоны имеют широкий диапазон энергий, слишком широкий, чтобы попасть в накопительное кольцо. Лишь небольшая доля полученных таким образом антипротонов может «вписаться» в кольцо, что значительно уменьшит и интенсивность антипротонного пучка, и
Чтобы пучок антипротонов обладал достаточной светимостью для успеха экспериментов на протон-антипротонном коллайдере, требуется, чтобы энергия антипротонов каким-то образом «сконцентрировалась» на уровне желаемой энергии пучка.
К счастью, голландский физик Симон ван дер Мер придумал, как этого добиться. Ван дер Мер окончил инженерный факультет Дельфтского университета технологии в 1952 году. Он несколько лет был сотрудником Philips в Голландии и в 1956 году поступил в ЦЕРН. В ЦЕРНе он занялся теоретическими аспектами ускорителей, в основном практическим применением теоретических принципов к сооружению и работе ускорителей и коллайдеров.
В 1968 году ван дер Мер провел несколько спорных экспериментов на ISR, но внутренний отчет о своих находках опубликовал лишь четыре года спустя. Причина задержки была простая: физика, которой он тогда занимался, казалась полным безумием. В своем отчете он написал: «В то время идея казалась бездоказательной, чтобы ее публиковать»[115].
Его эксперименты 1968 года позволяли предположить, что действительно есть возможность сконцентрировать антипротоны с начальным распределением энергий в гораздо более узком диапазоне, необходимом, чтобы попасть в накопительное кольцо. В этом методе используется пикап – чувствительный электрод, который определяет антипротоны с энергией, не соответствующей желаемой энергии пучка, и посылает сигнал кикеру – электроду с другой стороны кольца, чтобы вернуть частицы «в строй». Пикап подает кикеру сигнал, как пастух овчарке. Получив команду, собака лаем сгоняет отбившихся овец в стадо, чтобы оно аккуратно вошло в загон.
Ван дер Мер назвал метод стохастическим охлаждением. Слово «стохастический» означает случайность, а «охлаждение» говорит не о температуре пучка, а о случайных движениях и распределении энергий частиц, удерживаемых внутри его. Если повторить процесс много миллионов раз, пучок постепенно сольется и приобретет желаемую энергию. В 1974 году ван дер Мер провел еще несколько испытаний стохастического охлаждения на ISR. Результаты он получил скромные, но достаточные, чтобы считать, что принцип работает.
Между тем Карло Руббиа перестал переживать, что его обогнали физики ЦЕРНа и не дали первым открыть слабые нейтральные токи. Свою докторскую степень Руббиа получил в 1959 году в «Скуола нормале» итальянского города Пиза. Он работал над физикой мюонов в Колумбийском университете, а затем перебрался в ЦЕРН в 1961 году. В 1970-м его он получил место профессора в Гарварде и проводил там один семестр в году, а остаток времени в ЦЕРНе. За постоянные перелеты студенты окрестили его «профессор Алиталия»[116].
Руббиа был упрямый и целеустремленный человек, известный среди коллег тяжелым характером[117]. Он твердо вознамерился никому
Вместе с коллегами из Гарварда Руббиа в середине 1976 года представил Уилсону предложение превратить протонный синхротрон в Фермилабе на 500 ГэВ в про тонантипротонный коллайдер. Уилсон ему отказал, предпочитая сосредоточить усилия на том, чтобы заручиться поддержкой в пользу Тэватрона. Казалось, что метод стохастического охлаждения не сулит особых успехов. Если он не сработает, будет потеряно драгоценное время работы синхротрона. Уилсон согласился на эксперимент стоимостью полмиллиона долларов на небольшой установке, чтобы посмотреть, будет ли работать метод.
Руббиа попросту обратился со своим предложением в ЦЕРН к тогдашнему генеральному директору ЦЕРНа Леону ван Хове и встретил там гораздо более приветливый прием. К июню 1978 года новые испытания стохастического охлаждения в ЦЕРНе дали весьма воодушевляющие результаты, и ван Хове был готов рискнуть. Это давало ЦЕРНу возможность открыть новые частицы, то есть добиться того, что уже несколько лет было прерогативой американских лабораторий. Кроме того, если бы ван Хове не согласился, Руббиа, скорее всего, обратился бы к Леону Ледерману, который возглавил Фермилаб после отставки Уилсона в феврале[118]. «Пожалуй, если бы ЦЕРН не купил идею Карло [Руббиа], он продал бы ее Фермилабу», – рассказал Дарьюла[119].
Руббиа получил разрешение сформировать команду физиков, которая бы спроектировала сложный детектор, необходимый для обнаружения W– и Z-частиц. Под него отвели большой участок под землей на территории ПСС, и поэтому коллаборацию назвали «Подземная зона 1», или UA1. В дальнейшем группа вырастет и включит в себя около 130 физиков.
Через шесть месяцев была сформирована вторая, независимая коллаборация UA2 под руководством Дарьюла. Эта группа была поменьше и включала примерно 50 физиков, которые должны были составлять дружескую конкуренцию UA1. Предполагалось, что детектор UA2 будет менее сложным (например, он не сможет обнаруживать мюоны), но тем не менее сможет независимо подтвердить открытия эксперимента UA1.
Протонный и антипротонный пучки с энергией 270 ГэВ соединятся в ПСС и придут в столкновение, достигнув общей энергии 540 ГэВ, что гораздо больше, чем требуется для обнаружения частиц W и Z.
В октябре 1982 года, после некоторых задержек, UA1 и UA2 наконец начали регистрировать данные. Ожидалось, что столкновения, в которых могут образоваться W– и Z-частицы, будут очень редкими, поэтому оба детектора были сконфигурированы так, чтобы реагировать только на определенные столкновения, удовлетворяющие запрограммированным критериям. Коллайдер должен был производить по нескольку тысяч столкновений в секунду в течение двух месяцев. При этом ожидалось лишь несколько событий, способных произвести W и Z.
Детекторные установки были запрограммированы так, чтобы регистрировать события с выбросом высокоэнергетических электронов или позитронов под большим углом к направлению движения пучка. Электроны с энергией до половины массы W будут признаком распада W—-частиц. Высокоэнергетические позитроны будут свидетельствовать о распаде W+-частиц. Измеренное расхождение энергии (различие между энергией частиц, входящих в столкновение, по сравнению с энергией выходящих) будет сигналом одновременного образования нейтрино и антинейтрино, которые невозможно было обнаружить непосредственно.
Предварительные результаты были представлены на симпозиуме в Риме в начале января 1983 года. Руббиа, нервничая против обыкновения, объявил о том, что из нескольких тысяч миллионов наблюденных столкновений коллаборация UA1 установила шесть событий – кандидатов на распад W-частиц. Коллаборация UA2 установила четыре кандидата. Руббиа был несколько осторожен, но убежден: «Они выглядят как W-частицы и пахнут как W-час тицы, значит, это и есть W-частицы»[120]. «Он выступил эффектно, – писал Ледерман. – У него были все карты на руках, и он сумел выложить их страстно и логично»[121].
20 января 1983 года физики ЦЕРНа набились в аудиторию, где Руббиа проводил семинар по UA1, а Луиджи ди Лелла – по UA2. 25 января прошла пресс-конференция. Коллаборация UA2 предпочитала не торопиться с выводами, но выводы не заставили себя долго ждать. W-частицы найдены, их энергия близка к предсказанным 80 ГэВ.
Поделиться книгой: