Коллайдер

Сказ о двух кольцах: «Теватрон» и Протонный суперсинхротрон

Увидев неправильно закрепленную резиновую прокладку, из-за которой сорвалась демонстрация медицинских приложений циклотрона, Лоуренс пришел в бешенство. «Вон из лаборатории! - кричал он молодому лаборанту. - И не вздумай возвращаться!»⁴⁶

Роберт Р. (Боб) Вильсон, аспирант Радиационной лаборатории в Беркли, которому суждено было подняться на высоту конструктора и руководителя крупнейшего проекта в истории американской физики высоких энергий, стоял и не знал, куда себя деть. Все сотрудники лаборатории, как положено, в белых медицинских халатах, пациенты с раковыми опухолями готовы начать лечение - нет, как можно быть таким невнимательным? Пациенты ждали, без преувеличения, днями и ночами. И чего?

Чтобы циклотрон перестал работать из-за его дурацкой ошибки? Вильсона снедало чувство вины настолько глубокое, что его было не выразить словами.

Лоуренс снова взял Вильсона на работу, но вскоре опять уволил за то, что тот спалил в огне дорогие плоскогубцы. Во второй раз все выглядело не так уж плохо. «Наверняка, подумал я, найдется способ вернуться», - вспоминал потом Вильсон.

Сказать, что к руководству «Фермилабом», самым передовым ускорителем в Соединенных Штатах (а было время, и во всем мире), Вильсон шел извилистым путем, значит не сказать ничего. Вильсон родился 4 марта 1914 г. во Фронтьере, штат Вайоминг, и, как Резерфорд с Лоуренсом, происходил из семьи переселенцев. Его мать Эдит была дочерью фермера, приехавшего сюда во времена золотой лихорадки. Она познакомилась с отцом Вильсона, когда он проводил в городе землемерные работы, и вышла за него замуж. Будучи суровым и сугубо практичным человеком, он никогда не понимал научных устремлений своего сына. Когда Вильсон, уже тогда начитанный молодой человек, собрался поступать в колледж в Беркли, отец этому воспротивился, настаивая, чтобы сын занялся коммерцией. Лишенный поддержки отца, Вильсон в 18 лет отправился в полное приключений путешествие по физике элементарных частиц.

По приезду в Беркли, стоя перед владениями Лоуренса, Вильсон смотрел на них горящими глазами, как дети смотрят на рождественские подарки. Он был поражен сложными приборами и энергией сотрудников. Хотя после личного знакомства с Лоуренсом тот показался Вильсону эгоистичным, по крайней мере сначала, будущий вдохновитель «Фермилаба» решил добиваться места в «Рэд Лабе» и выполнить там свой дипломный исследовательский проект. Немало волнуясь, он протиснулся в кабинет Лоуренса и попросил взять его в коллектив. Какое облегчение он испытал, когда услышал от знаменитого директора: «Да-да, конечно».

Вильсон стал специалистом по циклотронам, в частности научился добиваться от частиц устойчивых орбит. Он защитил в Беркли свою дипломную работу и продолжил, уже в статусе аспиранта, работать под началом Лоуренса. Буквально на глазах Вильсона «Рэд Лаб» превратился в образец того, как должны вестись исследования в физике высоких энергий, а достижения сотрудников лаборатории признавали во всем мире.

Вильсон перенял и многие организационные приемы Лоуренса. «Он, несомненно, на меня сильно повлиял, - вспоминал Вильсон. - Его стиль управления лабораторией производил впечатление. Он увлекал всех своим примером… Его энтузиазм, целеустремленность и оптимизм заражали. Он как никто другой умел расставить акценты»⁴⁷.

В 1940 г., получив в Беркли докторскую степень, Вильсон женился на уроженке Калифорнии Джейн Шейер и переехал с ней на восток, в Принстон, Нью-Джерси. Там он три года проработал преподавателем, а затем его приняли в Лос-Аламосскую лабораторию и включили в «Манхэттенский проект». После войны Вильсон провел год в Гарварде, а потом получил должность директора Лаборатории ядерных исследований Корнелльского университета, которую занимал с 1947 по 1967 г. Запустив там один за другим четыре электронных синхротрона, последний из которых давал энергию до 12 ГэВ, Вильсон зарекомендовал себя талантливым руководителем.

Синхротрон, изобретение которого пришлось на 40-е гг., гораздо лучше подходит для экспериментальных задач, чем циклотрон. Во-первых, в нем интенсивнее магнитное поле, а во-вторых, частицы бегают по кругу «организованными группами». В синхротрон частицы впрыскиваются отдельными пучками, напоминающими группу спортсменов в начале велосипедной гонки. По мере увеличения энергии каждой такой порции подбавляют также магнитное поле, чтобы частицы не раскручивались по спирали, а оставались на одной круговой орбите. Чем свирепее зверь, тем крепче поводок ему нужен.

Второе характерное отличие синхротрона - отсутствие центрального магнита. Вместо этого магниты равномерно выкладываются вдоль всего пути пучка. Их задача, как и прежде, направлять частицы, но зато такая конструкция позволяет выйти далеко за пределы комнатных габаритов и охватить большую площадь (размером с футбольное или фермерское поле, например). Стало быть, радиус орбиты и мощность можно беспрепятственно наращивать.

Кроме того, в циклотронах и синхротронах электрическое поле по-разному зависит от времени. Если в циклотроне электрические поля меняются периодически и задают частицам постоянный ритм, в синхротроне они подстраиваются под скорость пучка. Благодаря этому, даже когда частицы достигают релятивистских энергий, электрическое поле продолжает ускорять их в такт. Когда отец хочет раскачать сына на качелях, он для толчка всегда выбирает определенный момент. Синхротрон точно так же способен повышать энергию и без того энергичных частиц.

В «корнелльский» период биографии Вильсона синхротроны неумолимо заполоняли физику элементарных частиц. Без их мощи и, главное, огромных возможностей наращивать эту мощность открытия новых тяжелых частиц пришлось бы ждать неизвестно сколько. Крупные синхротроны стали источником «сырья» для грандиозных коллайдеров, на которых были сделаны первые шаги к единой теории (например, найдены переносчики электрослабого взаимодействия). В течение десятилетий ученые в мировых лабораториях неустанно увеличивали диаметр синхротронов и улучшали фокусирующие свойства магнитов, чтобы получать частицы со все большими и большими энергиями.

Золотой век синхротронов пришелся на 50-е и 60-е гг. XX в. Два инженера из Беркли, Уильям Бробек и Эдвард Лофгрен, под руководством Лоуренса соорудили в 1954 г. протонный синхротрон «Беватрон» размером с концертный зал. Он давал энергию до 6 ГэВ, но, к сожалению, обошелся непомерно дорого. Все из-за вакуумной камеры в форме бублика (включая окружающие ее магниты), в которой были такие широкие отверстия, что больше подошли бы гоночной машине, нежели элементарной частице.

Одной из первых ласточек был и «Космотрон», возведенный на бывшей военной базе среди идиллических пейзажей Брукхейвена, Нью-Йорк. От своего коллеги он отличался в лучшую сторону: проемы в нем были узкие, но не настолько, чтобы не пропустить пучок частиц. Группа под началом М. Стэнли Ливингстона, Эрнеста Куранта, Джона Блюитта и Кеннета Грина добилась успеха с помощью 288 магнитов в форме буквы «С», которые аккуратно управляли пучками протонов в 70-метровом тоннеле ускорителя. За какую-то секунду протоны пролетали без малого 220 000 км, совершив при этом миллионы оборотов, и, прежде чем удариться в мишень, достигали энергии в 3 ГэВ⁴⁸. Когда в мае 1952 г. «Космотрон» вошел в строй, «Нью-Йорк Таймс» поспешила известить о первом «Запале в миллиард вольт»⁴⁹.

Настраивая магниты «Космотрона» так, чтобы они фокусировали пучок как можно лучше, Курант приобрел бесценный опыт, который помог ему проложить дорогу к следующему поколению ускорителей. Исследователь рассчитал, что если повернуть соседние магниты в противоположные стороны (скажем, один внутрь, а следующий наружу и т. д.), их фокусирующая способность резко возрастет. Этот эффект, жесткая фокусировка, сделал возможным создание синхротрона с переменным градиентом (СПГ) в Брукхейвене - более мощной машины, вошедшей в строй в 1960 г. и работающей до сих пор.

Тем временем в швейцарской Женеве в Европейском центре ядерных исследований Нильс Бор открывал бутылку шампанского, чтобы отметить открытие протонного синхротрона (ПС), еще одного ускорителя с жесткой фокусировкой. Для возрождавшейся после войны европейской науки это был настоящий триумф. ЦЕРН появился десятью годами ранее. Соответствующая резолюция, выдвинутая И. Раби, была принята на Пятой конференции ЮНЕСКО и предписывала Центру «всячески способствовать учреждению и организации региональных институтов и лабораторий, призванных активизировать международное научное сотрудничество и сделать его более плодотворным»⁵⁰.

К моменту запуска ПС совет ЦЕРНа, в который входили Бельгия, Дания, Франция, ФРГ, Греция, Италия, Нидерланды,

Норвегия, Испания, Швеция, Швейцария, Великобритания и Югославия, уже не раз успел собраться. В результате постановили организовать научную лабораторию недалеко от французской границы - рядом с деревушкой Мейрен, кантон Женева. А впечатляющий новый ускоритель только закрепил за центром репутацию мирового лидера в физике высоких энергий.

Лаборатории - в Беркли, Брукхейвене, ЦЕРНе - росли, как грибы после дождя. Чтобы составить им конкуренцию, Вильсону в Корнелле приходилось трудиться не покладая рук. Его организационный талант не подвергал сомнению никто. Но ему хотелось стать чем-то большим, чем ученым и руководителем. И Вильсон совершил весьма необычный поступок для человека, у которого было столько научных планов: решил попробовать себя в качестве скульптора. В 1961 г. он поехал в Рим и поступил в Академию изящных искусств, где познавал тонкости современной скульптуры. Его также интересовала архитектура и другие направления искусства композиции.

В 1967 г. Вильсону выпал шанс совместить все свои увлечения в одном деле. Он получил сложнейшую задачу спроектировать самую передовую ускорительную лабораторию Соединенных Штатов. Место под нее отвели примерно в 50 км к западу от Чикаго - среди кукурузных полей славящейся своими фермерскими угодьями Батавии, штат Иллинойс. В 1974 г. Национальная ускорительная лаборатория (первоначальное название) была переименована в честь Ферми. Будучи на посту руководителя, Вильсон пытался сделать лабораторию максимально открытой, чтобы проводить эксперименты по физике высоких энергий мог любой, независимо от положения в научной иерархии. Он хотел уйти от такой организации деятельности, когда всей научной частью заправляет горстка лидеров, как это было в случае с Резерфордом и Лоуренсом.

Второй целью Вильсона, успешно установившего в лаборатории демократичную атмосферу, было по возможности снизить расходы на постройку и обслуживание. Американская Комиссия по атомной энергии потребовала завершить строительство в 7-летний срок и готова была выделить максимум 250 миллионов долларов (на 90 миллионов меньше, чем изначально планировалось). Каким-то чудом у Вильсона получилось уложиться даже в меньшее время и не выйти за пределы бюджета. Причем запланированную энергию ускорителя Вильсон в итоге повысил более чем в 2 раза: с 200 до 400 с лишним ГэВ. Надо думать, он стремился к наибольшей мощности на один доллар.

Несмотря на скудные финансы, Вильсон уделил большое внимание и эстетической составляющей. Он лично принимал участие во всем, что касалось архитектуры и дизайна лаборатории. Центральная башня в футуристическом стиле из бетона и стекла - его заслуга, да и оттеняющие пейзаж новаторские скульптуры создал он. А специально нанятый оформитель раскрасил оборудование в яркие цвета. Экспериментальная установка в кои-то веки удостоилась внимания критика Кеннета Эверетта из «Нью Рипаблик», который охарактеризовал ее как «редкое сочетание художественного и научного задела»⁵¹. В творениях Вильсона, малобюджетных, но от того не менее изумительных, нашли отражение практичные 60-е.

Наконец, происходя из семьи переселенцев, Вильсон умел жить в ладах с окружающей его землей и бережно относился к природе. Он не стал рушить здешние амбары, а переделал их под цели лаборатории (в жилые помещения и т. д.). Дикие животные - от крякв до ондатр - нашли себе прибежище в водохранилищах, полях и даже установках научного комплекса. Отдавая дань памяти своей семейной истории и современной физике, исследующей самые заповедные уголки окружающего нас мира, Вильсон привел в рощицу стадо бизонов, которые стали там мирно пастись. Их косматые потомки до сих пор бродят в тех местах.

Вильсон чувствовал себя почти как дома, когда верхом на лошади объезжал «Фермилаб», словно ранчо - только вместо скота тут росли и крепли протоны с мезонами. Надев джинсы, ветровку, ковбойские сапоги и черную шляпу, он седлал свою серую Звездочку и, будто чтобы разогреть ее перед скачками, отправлялся обходить свои владения.

Национальная ускорительная лаборатория им. Ферми («Фермилаб») с высоты птичьего полета. Видны основное кольцо и административное здание лаборатории.

Для Вильсона в ускорительном центре не было второстепенных деталей. Он ко всему приложил руку: от характерного геометрического оформления крыш (есть даже один геодезический кугюл) и неприхотливого земляного пола до организации работы на кухне. В стесненных финансовых обстоятельствах постоянно возникали дилеммы (например, крыша или пол), и Вильсон решил: чем дразнить Комиссию по атомной энергии, лучше уж самому выбирать, что принести в жертву.

Ради экономии средств Вильсон, например, нанял и «выставил в караул» своего непреклонного административного помощника, Присциллу Даффилд, до этого работавшую секретарем у Лоуренса в «Рэд Лабе», а потом во времена «Манхэттенского проекта» у Оппенгенмера в Лос-Аламосе. Дж. Дэвид Джексон, руководивший отделом теоретической физики в 1972-1973 гг., запомнил ее как «высокую, строгую, деловую женщину». Малейший намек на растрату денег приводил ее в ярость. Джексон помнит, как она отреагировала, когда узнала, что он с коллегами принес на семинар вино и сыр. «Жаждая моей крови, она ворвалась ко мне в кабинет. “На семинаре распивать вино! Да что вы о себе возомнили? Вам должно быть известно, что тратить на это государственные деньги незаконно”. Я ответил, что покупал вино не на государственные деньги. “А на чьи же?” - спросила она. Я сказал: “На свои”. Она поджала губы. В первый и последний раз я ее видел хоть капельку смущенной»⁵².

Не все решения, который Вильсон принимал в погоне за сокращением расходов, шли на пользу. Делая упор на одних структурных элементах в ущерб другим и без оглядки на установку в целом, он поставил под удар весь проект. Вильсон давно сбросил с повестки дня замену магнитов, поэтому они были приварены прямо поверх трубы основного кольца, в котором должны были циркулировать частицы⁵³. Но лето в Иллинойсе сырое, тоннель был не защищен - и магниты из-за высокой влажности начали приходить в негодность. Представьте ужас преданных науке исследователей, которые с минуты на минуту ждут открытия, когда прямо перед первым пуском ускорителя магниты один за другим выходят из строя, а менять их - целая эпопея. К счастью, квалифицированные экспериментаторы быстро взяли ситуацию под контроль и разрешили проблему.

Если магниты Вильсон закрепил на славу, то в отношении помещений, где физики будут проводить измерения, он придерживался противоположной точки зрения. Чтобы сэкономить средства и повысить мобильность, он решил делать измерительные лаборатории на временной основе, по примеру муравейника. Но вскоре до него дошли слухи, что сотрудники от таких мимолетных кабинетов не в восторге. Сам Вильсон отмечал: «Эти полевые лаборатории действительно сколочены на скорую руку… Старшее поколение даже советует своим молодым коллегам: “Оставь надежду всяк сюда входящий!” Боюсь, в таком развитии событий виноват я один. Опасаясь потерять хотя бы один цент, я мечтал вообще не возводить (и не выкапывать) никакого здания. Моя идея состояла в следующем. Когда начнется эксперимент, мы всего лишь в чистом поле около конца одного из протонных тоннелей очертим столько места, сколько нам нужно, и забьем стальные шпунтовые сваи…, до какой надо глубины… Экспериментальное оборудование спустим на роскошный гравийный пил, а сверху поставим временную стальную крышу, посыпанную толстым слоем земли… Просто и недорого, ведь так? До сих пор не могу понять, почему сотрудники перестали со мной разговаривать.

Полевые лаборатории, венчающие тоннели, удаленные от основного 6,5-километрового синхротронного кольца, Вильсон окрестил «протонными подземельями». Другие места служили для исследования мезонов и нейтрино. Гордостью Вильсона была 4,5-метровая пузырьковая камера, которую физик из Беркли Пол Эрнандес считал «жемчужиной в короне»⁵⁵ ускорителя.

Большая европейская пузырьковая камера - прибор для отслеживания частиц. Экспонат музея «Микрокосм» (ЦЕРН).

Пузырьковая камера состоит из огромного контейнера с жидким водородом, окруженного направляющим магнитом невероятных размеров. Когда протоны сталкиваются, магнитное поле заставляет двигаться их осколки через жидкость по закручивающимся траекториям. Вдоль них водород вскипает, вычерчивая перед экспериментаторами трек, который можно сфотографировать и по его форме определить свойства частиц. На разноименные заряды магнитное поле действует в разные стороны, поэтому положительно и отрицательно заряженные частицы будут закручиваться в противоположных направлениях.

Другие детекторы, широко применяемые в физике высоких энергий, - это сцинтилляционные счетчики, фотоумножители, черенковские детекторы, калориметры, искровые и дрейфовые камеры. Одним прибором не обойтись, нужен целый спектр измерительных приборов. Все потому, что главная задача эксперимента - за короткое время собрать как можно больше информации. Многие частицы, едва родившись, тут же оканчивают свою короткую жизнь и распадаются. Иногда единственное, что говорит о произошедшем событии, - это дисбаланс энергии, импульса или других сохраняющихся величин. Как полицейские на месте преступления, физики, чтобы вычислить подозреваемых, вынуждены оцеплять район столкновения, напичкав его всевозможной измерительной аппаратурой, и, не теряя времени, собирать улики. Только тогда можно надеяться определить последовательность событий и воссоздать полную картину взаимодействия.

Любимый метод Резерфорда, засекавшего частицы по вспышкам на флуоресцентном экране, получил логическое продолжение в сцинтилляционных счетчиках. Пролетая через детектор, частица возбуждает электроны в атомах, которые затем излучают полученную энергию в виде света. Для этой цели хорошо подходят люминесцентные пластмассы с жидким фторсодержащим наполнителем. Фотоумножитель - это электронный прибор, способный усиливать тусклый свет (идущий, например, от сцинтиллятора) до такой степени, чтобы его можно было различить.

Принцип работы черенковского детектора зиждется на так называемом эффекте Вавилова-Черенкова. Его в 1934 г. экспериментально обнаружил работавший под руководством С.И. Вавилова П.А. Черенков из Физического института им. П.Н. Лебедева в Москве. Дело в том, что если частица движется в некотором веществе со скоростью, превышающей скорость света, она начинает излучать. Нельзя превзойти скорость света в вакууме, но в веществе свет замедляется, и тогда его удается обогнать. Известно, что, оказавшись рядом с реактивным самолетом, который разогнался до скорости звука, мы слышим громкий хлопок (нас настигает фронт звуковой ударной волны). Так и частицы, бегущие в веществе наперегонки со светом, испускают в устремленный вперед конус излучение, получившее название черенковского. На наше счастье, угол раствора конуса напрямую зависит от скорости частицы, позволяя экспериментально измерить этот важный параметр.

Следующий класс приборов - калориметры, с помощью которых ученые измеряют энергию частиц. В заполняющем их плотном материале возбуждаются распадные ливни, представляющие собой цепочку рождений пар и образования тормозного излучения (излучение, испускаемое замедляющимися частицами), в результате чего высвобождаются большие залежи энергии. Если получается зарегистрировать хотя бы определенную долю этой энергии, физики могут делать выводы о том, насколько энергичным было первоначальное событие. В электромагнитных калориметрах делается упор на каскады, вызываемые электромагнитными силами, а в адронных калориметрах орудуют сильные взаимодействия.

Адроны - это частицы, подверженные влиянию ядерных сил. К ним относятся протоны, нейтроны, различные типы мезонов и ряд более тяжелых частиц. Все они состоят из кварков. Лептоны же - это частицы, нечувствительные к сильному взаимодействию: электроны, позитроны, мюоны и нейтрино. В них нет кварков - это уже истинно элементарные частицы. Адронные калориметры не реагируют на лептоны, они ощущают только энергию адронов.

Помимо пузырьковых камер существует множество других приборов для измерения траекторий частиц. Для регистрации заряженных частиц хорошо подходят искровые камеры. Промелькнувшая частица вдоль своего пути ионизует газ, и в нем происходит напоминающий молнию разряд. Дрейфовые камеры устроены сложнее: для того чтобы измерить время пролета частицы между двумя заданными точками, в них используется электроника.

С изобретением компьютера физика высоких энергий обрела незаменимого помощника. Теперь ученые могли себе позволить прочесывать гигантские объемы данных в поисках намеков на интересные события. О том, чтобы без компьютера найти продукты редких распадов, можно было бы и не мечтать. Все равно что искать в лесу цветущий папоротник.

Ко времени вступления «Фермилаба» в строй в начале 70-х одна из особенностей его конструкции уже успела устареть. Еще со времен Резерфорда пучки в ускорителях били по неподвижным мишеням. А как диктуют законы сохранения, в таком случае львиную долю полной энергии столкновения уносят вторичные частицы, вылетающие с обратной стороны мишени. Лишь малая толика может быть обращена в массу новых частиц. Более того, выход полезной энергии в столкновениях с неподвижной мишенью растет довольно медленно - пропорционально корню из энергии пучка. Скажем, если в улучшенной модели ускорителя в протонах запасается в сто раз больше энергии, эффективная энергия получит только десятикратное приращение. Вдобавок к этому недостатку сам рождающийся пучок оказывался узким, усложняя экспериментаторам задачу регистрации испущенных частиц.

В далеком 1953 г. Видероэ словно предвидел эту проблему и запатентовал гораздо более совершенную разновидность ускорителя, который мы сегодня называем коллайдером⁵⁶. Он догадался, что, если сталкивать частицы лоб в лоб, можно будет уменьшить долю кинетической (связанной с движением) энергии и на выходе получить больше энергии для производства частиц. Тогда Видероэ работал инженером-технологом, поэтому неудивительно, что физическое сообщество прошло мимо его патента. А всего три года спустя идею о лобовом столкновении пучков независимо высказала группа трудившихся над синхротроном экспериментаторов во главе с Дональдом Керстом. От этого предложения, опубликованного в крупном журнале «Физикал Ревью» и обсужденного на симпозиуме ЦЕРНа в 1956 г., до резкого увеличения производительности ускорителей оставался один шаг, и вскоре коллайдеры стали обычным делом.

Можно попытаться ощутить разницу между ускорителем с неподвижной мишенью и коллайдером, обратившись к железнодорожным катастрофам. Если говорить о первом, представим себе потерявший управление локомотив, который сбоку врезается в товарный вагон, случайно очутившийся на пересечении двух путей. Один из вероятных исходов - товарный вагон после толчка начинает двигаться по своему пути, а локомотив продолжает ехать по своему. Все целы и невредимы. Основная часть энергии столкновения так и осталась кинетической.

А теперь пусть два локомотива (примерно одинаковых размеров и с близкими скоростями) несутся навстречу и впечатываются лоб в лоб. О счастливом конце здесь говорить не приходится. Львиную долю энергии мы, скорее всего, сможем наблюдать воочию в виде горящих обломков. То, что для диспетчера обернулось бы кошмаром, как раз по душе физикам, имеющим дело с ускорителями. Они только и ждут, чтобы подлить масла в огонь и выковать новые частицы.

На той самой церновской конференции физик из Принстона Джеральд О’Нейлл предложил реализовать коллайдер с помощью сообщающихся накопительных колец. По его задумке, ускоренные в синхротроне частицы нужно было распределить между двумя отдельными кольцами, где они циркулировали бы в разные стороны в ожидании столкновения в точке пересечения двух колец. Эта идея в 60-х и начале 70-х гг. воплотилась в нескольких электрон-позитронных коллайдерах. В частности, безусловным достижением стало строительство в 1972 г. Стэнфордского позитрон-электронного ускорительного кольца (SPEAR) в Стэнфордской лаборатории линейного ускорителя. Именно на нем, кроме всего прочего, Бертон Рихтер, проектировавший SPEAR, совместно с коллегами открыл частицу J/ψ («джей-пси», тяжелый мезон, состоящий из очарованных кварков и антикварков), а Мартин Перл обнаружил сверхтяжелый тау-лептон.

Эти открытия подвели экспериментальную базу под гипотезу о том, что кварки и лептоны образуют три разных поколения. К первому относятся верхний и нижний кварки, а также электрон с нейтрино. Ко второму - странный и очарованный кварки и, соответственно, мюон и мюонное нейтрино. А в третье попадает тау-лептон (вместе с обнаруженными позже тау-нейтрино и прелестным и истинным кварками). Будь то сами по себе, как в случае лептонов, или в составе различных адронов, как это происходит с кварками, эти частицы являются элементарными кирпичиками материи.

В 1971 г. заработал первый в мире адронный коллайдер - Пересекающиеся накопительные кольца (ПНК). Тогда уже действующий в ЦЕРНе протонный синхротрон (ПС) ускорял пучки протонов до 28 ГэВ, после чего система впрыска сгоняла их в одну из пары кольцевых ячеек. Там они и «складировались», то есть система запускала внутрь частицы в строго определенные моменты времени, чтобы группы протонов летали вплотную, но не вставали друг у друга на пути. Это как хорошо настроенный светофор - подает машинам разрешающий сигнал через заданные промежутки времени, чтобы не возникало заторов и движение шло постоянным потоком. Благодаря «складированию» протонные пучки в накопительных кольцах увеличивают свою светимость, или, другими словами, число столкновений на единицу площади, которое зависит от интенсивности пучка. В этом плане пучок напоминает очередь из автомата: чем чаще следуют выстрелы и чем точнее прицел, тем быстрее цель будет поражена. Высокая частота столкновений повышает шансы на поимку маловероятных событий, таких как рождение редких видов частиц.

Вскоре после запуска ПНК сотрудники ЦЕРНа решили опробовать оригинальный метод увеличения светимости, так называемое стохастическое охлаждение. Его изобрел голландский физик Симон ван дер Мер, отвечавший в ЦЕРНе за направляющие магниты. Новый способ давал возможность ужать пучки до компактных сгустков, что позволило бы упаковать их в кольце гораздо плотнее. Главное - понять, как далеко частицы удаляются от центра своей группы, и вернуть их обратно в «стадо», если они от него отбились. Благодаря такой корректировке разброс в пучке уменьшается, и он «охлаждается» до более плотного состояния, освобождая место для своих соседей и увеличивая тем самым светимость. Находка ван дер Мера оказалась для коллайдеров настолько полезной - вместе с увеличением светимости проложив дорогу к эпохальным открытиям, - что в 1984 г. ученому присудили Нобелевскую премию по физике (вторым лауреатом стал итальянец Карло Руббиа).

Поглядывая на набирающий силу ЦЕРН с его современными, более совершенными методами, Вильсон настаивал на необходимости модернизации ускорителя в «Фермилабе» и мечтал хотя бы о двукратном повышении его эффективной энергии. Понятно, что за этим стояло. Недавние успехи теоретиков, которым удалось объединить электромагнетизм и слабые взаимодействия в рамках единой квантовой теории, положили начало погоне за предсказанными массивными частицами. Возможность прочесть один из красивейших отрывков природной поэмы единства заставила целое поколение экспериментаторов пойти в «Фермилаб», ЦЕРН, куда бы то ни было, лишь бы принять участие в кропотливом разборе гигантского склада данных, полученных на невиданных энергиях.

Стандартная модель электрослабого объединения, независимо предложенная в 1967 г. Стивеном Вайнбергом и Абдусом Саламом, предсказывает вдобавок к хорошо известному безмассовому фотону существование четырех новых массивных бозонов. Два из них, W⁺ и W^-, служат переносчиками в слабых процессах с зарядовым обменом (например, взаимодействие с участием электронов и нейтрино или позитронов и антинейтрино). Третий, Z°-бозон, передает силу в нейтральный процессах. Эта частица впервые появилась в работе Глэшоу, который добавил ее, чтобы получить математически согласованную теорию, хотя до этого нейтральные слабые токи никто не видел. Все вместе W⁺, W^- и Z° называются промежуточными векторными бозонами. Слово «векторные» отражает их специфические свойства при преобразованиях. Четвертая предсказанная частица - бозон Хиггса. Посредством спонтанного нарушения симметрии (о нем говорилось в главе «В поисках теории всего сущего») она придает массу W⁺, W^- и Z°-бозонам, а также кваркам и лептонам.

Набросанный Вайнбергом и Саламом сценарий не обещал, что поиск новых бозонов будет легким. При достаточно высоких температурах (например, в первые мгновения после Большого взрыва) симметрия, согласно теории, сохранялась, и W^- и Z-бозоны тоже были безмассовыми. Но стоило температуре опуститься ниже критического значения (как это имеет место сегодня), из-за спонтанного нарушения первоначальной симметрии бозоны обзавелись внушительной массой. Значит, чтобы их зарегистрировать, нужны были мощнейшие мировые ускорители с наилучшими энергетическими характеристиками.

В 1970 г. трое отважных экспериментаторов - Карло Руббиа (тогда сотрудник Гарварда), Альфред К. Манн из Пенсильванского университета и Дэвид Клайн из Университета Висконсина - сделали в «Фермилабе» первую попытку найти W-бозон. За свое предприятие группа HPWF (по первым буквам университетов и «Фермилаба») принялась в лаборатории нейтрино. Геодезический купол этого металлического шалаша во время дождей сильно протекал, и пол превращался в мутную жижу. Исследователям подчас приходилось шлепать по грязным лужам, пробираясь к экспериментальным установкам. Из-за экономии средств, которой был озабочен Вильсон, рабочая обстановка напоминала один из нижних кругов в концепции Данте.

В следующем году молодой гений теории поля Герард ’т Хоофт из Утрехтского университета в Нидерландах вместе со своим учителем Мартинусом Вельтманом доказал, что теория Вайнберга-Салама, как и квантовая электродинамика, перенормируема (бесконечные члены взаимно уничтожаются). Этот факт придал теории весу. Вайнберг, пребывавший от столь замечательной новости в эйфории, с нетерпением ждал экспериментальной проверки одного из непосредственных следствий электрослабой теории - существования нейтральных слабых токов. Как рассказывал потом Руббиа, Вайнберг группе HPRF «всю душу измотал», убеждая оставить прежние планы и заняться поиском нейтральных токов⁵⁷.

Руббиа попросил Ларри Сулака, своего гарвардского коллегу, сотрудничающего с группой, установить на детектор новый счетчик, который бы реагировал на события с нейтральными токами. В них фермионы не меняют своей сущности в процессе взаимодействия: электроны остаются электронами, а протоны - протонами. Главная проблема состояла в том, что электромагнитные процессы тоже не влияют на характеристики частицы - из них электроны по-прежнему выходят электронами. Экспериментаторам предстояло, по сути, искать «слабую нейтральную» иголку в стоге электромагнитных событий, также сохраняющих заряд и массу. Наиболее перспективным направлением был поиск событий с участием нейтрино. Будучи легкими нейтральными лептонами, они взаимодействуют преимущественно по слабому каналу. Если нейтральный адрон, например нейтрон, провзаимодействовал с нейтрино, причем ни одна из частиц не исчезла, естественным подозреваемым становится слабый нейтральный ток.

В борьбу включилась и группа из ЦЕРНа под началом Джека Фрая и Дитера Хайдта. Основным их инструментом стала закачанная тяжелым жидким фреоном пузырьковая камера «Гаргамель», незадолго до описываемых событий установленная на Протонном синхротроне внутри гигантского сверхпроводящего магнита. Экспериментаторы провели осень и начало зимы 1972 г., разыскивая рассеянные на нейтрино нейтроны. Пока неподалеку горнолыжники вычерчивали зигзаги на снежных швейцарских склонах, Фрай и Хайдт перебирали замерзшие треки каскадов - характерные следы в пузырьковой камере, отражающие все взаимодействия и физические свойства частиц. Лето принесло с собой радостные известия. К июлю 1973 г. у группы набралось достаточно доказательств существования нейтральных токов, чтобы сообщить о них научной общественности. Примерно в то же время коллектив HPRF также готов был представить обнадеживающие результаты.

Но, увы, летняя жара порой идет рука об руку с миражами. После подстройки оборудования и повторного сбора данных открытие группы HPRF затерялось среди барханов статистических погрешностей. Скептиками даже высказывалось мнение, что электрослабое объединение не более чем красивая иллюзия.

Гаргамельская группа, беспокоясь, как бы ее результаты тоже не оказались эфемерным видением, принялась их перепроверять. К счастью, их данные, как оказалось, имеют под собой твердый фундамент. Тем временем группа HPRF еще раз пересмотрела свои результаты, устранила все изъяны в обработке и тоже объявила об успешном завершении эксперимента. Впервые в истории науки новый режим взаимодействия - слабые нейтральные токи - был сначала обнаружен в теории, а потом уже найден в экспериментах.

Позже Хайдт выскажется о роли сделанного им и его коллегами открытия: «С обнаружением слабых нейтральных токов… ЦЕРН вышел в этой области в первые ряды. Найденный эффект открыл эпоху экспериментальных подтверждений Стандартной модели электрослабых взаимодействий и вызвал целый бум в экспериментальной и теоретической науке, вышедший далеко за пределы ЦЕРНа»⁵⁸.

Результаты измерений нейтральных токов позволили теоретикам более точно оценить массу W-бозона, что заставило экспериментаторов по всему миру с новыми силами взяться за поиск этой частицы. Желая доказать, что успех с нейтральными токами был закономерен, гонку возглавил ЦЕРН. На недостаток мощностей ему жаловаться не приходилось. Европейцы уже выделили средства и определились с местом для строительства Протонного суперсинхротрона (ПСС) - почти 6,5-километрового ускорителя, готовившегося первым в мире взять планку в 300 ГэВ. Однако в разгаре стройки, к немалому разочарованию европейских физиков, выяснилось, что основное кольцо «Фермилаба» уже бьет этот запланированный рекорд.

Когда вы втянуты в борьбу, мешкать нельзя: малейшая задержка может дать сопернику решающее преимущество. В случае с погоней за титулом первооткрывателя слабых бозонов такое преимущество появилось у ЦЕРНа, когда «Фермилаб» своим отказом соорудить протон-антипротонный коллайдер оттолкнул от себя Руббиа. Идея этой установки изначально пришла в голову младшему гарвардскому коллеге Руббиа Питеру Макинтайру, а получила свое развитие в работе Клайна, Макинтайра и Руббиа 1976 г. Трое ученых уговаривали Вильсона и заявочный комитет «Фермилаба» изыскать способ запустить протонный и анти-протонный пучки в противоположных направлениях по одному и тому же кольцу. Если бы получилось, как предполагалось, устроить между пучками столкновение лоб в лоб, где-то в осколках могли крыться искомые частицы.

Но Вильсон с головой ушел в строительство «Теватрона», первого в мире синхротрона со сверхпроводящими направляющими магнитами. Название «Теватрон» намекало на его будущую возможность заправлять протоны энергией в 1 ТэВ (один тераэлектронвольт, или один триллион электронвольт). В планах «Теватрон» и правда предполагалось использовать как коллайдер, но умеющий считать деньги директор не мог дать стопроцентной гарантии до тех пор, пока технология сверхпроводимости не будет проверена на практике.

Следуя примеру неунывающих коммивояжеров, Руббиа постучался в следующую дверь, за которой скрывался ЦЕРН. Ученый там работал в 60-х и потому чувствовал себя как дома. Руббиа родился 31 марта 1934 г. в итальянской Гориции, учился в университетах Пизы, Милана и полтора года провел в Соединенных Штатах, в Колумбии. Как раз по возвращении опуда - Руббиа было 26 лет - он впервые попал в ЦЕРН. С начала 70-х все время у Руббиа было расписано буквально поминутно: его можно было встретить то в Гарварде, то в «Фермилабе», то в ЦЕРНе… С таким жизненным опытом и будучи уверенным в своих силах, он чувствовал себя вправе предложить ЦЕРНу сделать революционный шаг.

Союзником Руббиа в разработке новой стратегии европейской лаборатории стал Симон ван дер Мер. Руббиа оценил метод стохастического охлаждения, предложенный голландским физиком. Он понимал: лучшего способа создавать плотные протонные и антипротонные пучки не найти. А где высокая плотность пучков, циркулирующих в ПСС по часовой стрелке и против нее, там и выше энергия в системе центра масс - ключевая характеристика коллайдера. Удовлетворенный доводами Руббиа, Леон ван Хове, в то время один из директоров ЦЕРНа, помог провести это новшество через бюрократические заслоны. Никто не успел и глазом моргнуть, как уже был готов и подсоединен к ПСС Антипротонный накопитель, новаторская установка для формирования интенсивного пучка. К 1981 г., всего через пять лет после статьи Клайна, Макинтайра и Руббиа, ПСС уже работал в режиме протон-антипротонного коллайдера, ставшем на следующее десятилетие для ускорителя основным. И хотя в 1983 г. вступил в строй «Теватрон», режим коллайдера ему был недоступен до 1985 г., что дало ЦЕРНу шанс уйти в отрыв.

Запуск ПСС, а затем и «Теватрона» привел к такому явлению, как исследовательские «коллаборации» - коллективы, насчитывающие сотни экспериментаторов из десятков разных институтов. Эти два научных центра физики высоких энергий притягивали к себе ученых, желающих оказаться там в ту самую минуту, когда к Стандартной модели будет добавлен последний штрих, найдена последняя частица из третьего поколения (стоящая в одному ряду с тау-лептоном и прелестным кварком, обнаруженным в 1977 г. в «Фермилабе» Ледерманом с сотрудниками) или даже открыты неизвестные ранее составляющие природы. Дни Резерфорда и Лоуренса, дни, когда авторов статьи с описанием эксперимента можно было пересчитать по пальцам (максимум научный руководитель, молодой научный сотрудник и пара аспирантов), ушли в прошлое. Группы буйно разрастались, а список авторов в статье все удлинялся, порой переходя за недостатком места из заглавия в обширную сноску. Без лупы невозможно стало разобрать, чьим знаниям мы обязаны успеху того или иного проекта.

Мало того, все больше усиливающаяся специализация, связанная с набирающими обороты «фабриками» по производству частиц, и долгие сроки экспериментов привели к тому, что руководители проектов начали придерживаться более гибких критериев, предъявляемых к докторским диссертациям. Например, для полноценной диссертации на степень доктора философии вполне достаточно выполнить моделирование методом Монте-Карло (используя для просчета возможных исходов генератор случайных чисел), написать программу, построить и испытать новый детектор и т. д. В противном случае некоторые аспиранты, входящие в коллаборацию экспериментаторов, рискуют остаться без диссертационной темы, да и будь у каждого тема, конечных результатов приходится ждать годами, а значит, защита отодвигается на неопределенно долгое время.

К моменту перевода ПСС в режим коллайдера в ожидании первых столкновений уже стояли два детектора, каждый со своей армией экспериментаторов. Первый, UA1 («Подземная площадка №1»), - детище Руббиа, создавшего невероятно сложный прибор, начиненный самой современной электроникой и способный анализировать столкновение практически под любым углом. Способность покрыть телесный угол почти полностью, так называемая герметичность, стала с тех пор главным критерием качества детектора. UA1 был настоящим Голиафом - на тот момент рекордные примерно 2000 тонн. Журналисты одной французской газеты, впечатленные замысловатой и объемистой конструкцией детектора, сделали ставку на второй, более миниатюрный UA2 («Подземная площадка №2»), полагая, что юркий «Давид» свалит неповоротливого гиганта. Говорят, от этого сравнения Руббиа, справедливо считавший себя настоящим профи, пришел в бешенство⁵⁹.

В ходе первого пуска в декабре 1981 г. предполагалось проверить некоторые следствия квантовой хромодинамики (КХД), главного претендента на роль калибровочной теории сильных взаимодействий. Квантовая хромодинамика, разработанная в 70-х гг. XX в., относит взаимодействие между кварками внутри адронов на счет глюонов, частиц-переносчиков. Перебрасываясь глюонами, кварки различных цветов образуют между собой связи и складываются в барионы или мезоны. Концепция глюонов пришла на смену гипотезе обмена пионами. В рамках последней было совершенно непонятно, почему кварки предпочитают ходить группами и никогда не летают поодиночке. На детекторах UA1 и UA2 экспериментаторы искали события, в которых кварковые структуры приходят в тесное взаимодействие, измеряли энергию в ливне и сравнивали с расчетами теоретических моделей КХД. Многие из предсказаний КХД удивительным образом подтвердились, причем в большинстве своем на UA2.

Подогрев аппетит на опытных следствиях КХД, можно было переходить к основному блюду. W- и Z-бозоны созрели, и настала пора собирать урожай, а благодаря новым возможностям обновленного ПСС за экзотическими фруктами и тянуться не надо было - сами в руки упадут. Детекторы, нацеленные на свою разновидность частиц, или, лучше сказать, дегустаторы, стояли в предвкушении характерного букета редких ароматов.

Если говорить о W-бозоне, то ученые ожидали, что при больших энергиях кварк в протоне сможет слиться с антикварком в антипротоне (например, верхний кварк и нижний антикварк) и образовать переносчик слабых взаимодействий. Однако на очень короткое время: бозон тут же распадется на заряженные лептоны и нейтрино. Частицы, ускользающие от прямого детектирования, называются резонансами. На их присутствие намекает лишь резкий максимум (его положение зависит от массы резонанса) в кривой зависимости сечения от энергии. Это как пытаться доказать, что кто-то средь жаркого летнего дня недавно лепил снеговика (из инея в морозилке). Обильная лужа воды выдаст затейника.

В один из рождественских дней 1982 г. на ПСС сталкивались пучки протонов и антипротонов с немыслимой светимостью более чем 10²⁹ (1 с 29 нулями) частиц в секунду на один квадратный сантиметр. Детектор UA1 зафиксировал около миллиона потенциально интересных событий, которые затем отправились на обработку. Шесть из них по параметрам подходили («нужная» энергия и импульс электронов, вылетающих под определенными углами) под события с участием W-бозона. Дополнительные данные сузили диапазон масс, куда попадает W-бозон, - вышло примерно 81 ГэВ/c² (в соответствии со знаменитым эйнштейновским соотношением между массой и энергией мы делим на скорость света в квадрате). UA2 между тем выявил еще четыре таких же подозрительных случая, чем подтвердил потрясающее открытие.

Поимка Z-бозона произошла несколькими месяцами позже, в апреле-мае 1983 г. На этот раз экспериментаторов интересовал другой сигнал: рождение электрон-позитронных пар определенной энергии. У коллектива UA1 масса нового бозона получилась примерно 95,5 ГэВ/c², а ученые из группы UA2 повторили эту цифру. Об этих триумфальных открытиях возвестили статьи в «Физике Леттерс В», от которых мировое физическое сообщество было в восторге. Проведенные эксперименты говорили сами за себя, недвусмысленно дав понять, что единая электрослабая теория не игра разума.

Сотрудник ЦЕРН Даниэль Денегри, входивший в группу UA1, вспоминает воцарившуюся тогда радостную атмосферу: «В конце 1982-го и в 1983 г. я чувствовал себя на подъеме не только как ученый, но и как человек. До сих пор не могу забыть то время упорных попыток, напряжения, предвкушения, удовлетворения и радости».

Трудно переоценить тот энтузиазм и веру в свои силы, которые принесли европейцам открытие слабых бозонов. После десятилетий господства Соединенных Штатов в области физики высоких энергий земля Эйнштейна, Бора и Кюри снова почивала на лаврах. Как заметил Денегри: «Открытие в ЦЕРНе W и Z-бозонов… означало, что физика элементарных частиц снова пристала к “старому берегу” Атлантики»⁶⁰.

Хотя американские экспериментаторы и были рады за своих заокеанских коллег и довольны, что электрослабая теория выдержала проверку на прочность, они не могли оставаться равнодушными, зная, что ЦЕРН уложил их на лопатки. Ускорительная физика, как и бейсбол, успела стать коньком США, а как бы себя чувствовали американцы, проиграв Мировую серию Швейцарии? Редактор «Нью-Йорк Таймс» в своей колонке огласил счет: «Европа - 3, США не дотянули до Z-3epo»⁶¹.

Первой головой, полетевшей после успеха европейской науки, стала «Изабелль» (ISABELLE) - сооружаемый в Брукхейвене протон-протонный коллайдер. И это несмотря на то что уже был вырыт тоннель и потрачены сотни миллионов долларов. В июле 1983 г. подразделение Консультативной группы по вопросам физики высоких энергий Министерства энергетики США решило, что планируемой энергии строящегося коллайдера (около 400 ГэВ) будет недостаточно, чтобы превзойти уровень недавних открытий.

Итак, W и Z открыты. На повестке оставались недостающие звенья Стандартной модели, как то: истинный кварк, тау-нейтрино и бозон Хиггса. Среди других целей экспериментальной физики было обнаружение новых гипотетических частиц, которые предсказываются расширенными версиями Стандартной модели, дающими более полное объединение некоторых взаимодействий.

Например, в 70-х и 80-х гг. сразу несколько теоретиков предложили так называемые теории Великого объединения (ТВО) - модели, в рамках которых КХД и электрослабое взаимодействие описываются с единых позиций. Они, по сути, построены на идее о том, что при достаточно высоких энергиях (скажем, в ранней Вселенной) все взаимодействия по интенсивности мало отличались друг от друга. По мере охлаждения вещества была достигнута точка ветвления: в первый фазовый переход разделились сильное и электрослабое взаимодействия, а на второй стадии - электрослабое распалось на слабое и электромагнетизм. Другими словами, по мере того как изменялась фундаментальная структура вакуума, первоначально идеально симметричная конфигурация постепенно искажалась.

Примерно в тот же период появились и гораздо более смелые теории объединения. Среди них - гипотеза суперсимметрии, трактующая фермионы и бозоны в рамках одной схемы. У каждого фермиона, согласно этой модели, есть бозонный двойник, так называемый суперпартнер. Аналогично у любого бозона есть фермионный собрат. В первичном вселенском бульоне частицы и их суперпартнеры выступали на равных, но стоило температуре упасть, как суперсимметрия спонтанно нарушилась: суперпартнеры обзавелись такой большой массой, что впрямую мы их до сих пор не наблюдаем. Гипотетические суперпартнеры получили забавные имена в лучших традициях физики элементарных частиц: бозонных двойников электрона и кварка окрестили соответственно «сэлектроном» и «скварком». Фермионного родственника фотона назвали «фотино», глюона - «глюино», а суперпартнеры W- и Z-бозонов удостоились и вовсе непривычных для слуха имен: «вино» и «эйно». Теоретики надеялись, что по крайней мере самые легкие суперпартнеры можно будет заметить среди осколков столкновений.

В общем, недостатка в свежих идеях не было. Поэтому хотя к концу 80-х гг. многие из главных следствий Стандартной модели были проверены на опыте, вряд ли кого-то в физике высоких энергий это заставило воздержаться от постановки новых экспериментов. Правда, чтобы вырастить плод посочнее, требовалось изрядно удобрить просторы ускорителя энергией. Суперсинхротронный коллайдер быстро вышел на свои предельные 450 ГэВ, а столь желанные россыпи топ-кварков или «хиггса», не говоря о совсем уж экзотических частицах, так и не появлялись.

Еще один церновский проект - Большой электрон-позитронный коллайдер (БЭП) - поражал если не энергией, то размером.

Построив это кольцо, почти 27 км в окружности и уходящее в землю примерно на 100 м, ЦЕРН расширил свои владения далеко за пределы женевского пригорода и вплыл в зеленеющие пейзажи на границе Швейцарии и Франции. Зачем понадобился ускоритель столь больших размеров? Одна из причин - стремление понизить интенсивность излучения, идущего от вращающихся в кольце электронов и позитронов. Чем больше радиус, тем меньше потери на излучение.

Появление БЭП потребовало внести коррективы и в работу других установок ЦЕРНа. Например, ПСС стал выполнять функцию источника электронов и позитронов, которые затем посылались в кольцо БЭП. Там они циркулировали в форме двух противоположно вращающихся пучков, а потом, достигнув максимальной энергии, направлялись в точку столкновения. Зная радиус кольца, частоту вращения электронов и позитронов и другие величины, экспериментаторы могли вычислить полную энергию каждого столкновения, а значит, могли довольно точно посчитать массы родившихся частиц.

Все одиннадцать лет своей работы (1989-2000) БЭП был самым мощным лептонным коллайдером в мире. Но поскольку электрон гораздо легче протона, лептонные коллайдеры, как правило, уступают близким по величине адронным коллайдерам. Электрон-позитронный коллайдер нарастил свою энергию от 100 ГэВ (сразу после запуска) до без малого 200 ГэВ (после усовершенствований). Но этого оказалось недостаточно, чтобы найти бозон Хиггса или увести у соперников из-под носа топ-кварк. Зато W^- и Z-бозоны БЭП мог штамповать один за другим, благодаря чему удалось измерить их массы с ювелирной точностью.

Топ-кварку суждено было появиться на свет среди тех же кукурузных полей Иллинойса, где почти двадцать лет назад был обнаружен b-кварк. (Эту пару, напомним, также называют истинным и прелестным кварками.) Никто не думал, что второго члена третьего кваркового поколения придется ждать так долго и что он окажется настолько тяжелым. Его открытие в 1995 г. стало (пока) ярчайшим событием в плодотворной жизни «Теватрона».

Вильсон оставил место директора «Фермилаба» в 1978 г., вскоре после открытия ипсилон-частицы (первой частицы, в которой оказался b-кварк). Вложивший в «Теватрон» всю свою душу, он не мог смириться с отказом Министерства энергетики США дать требуемую сумму в объеме, необходимом, чтобы не отстать от плана и запустить установку в кратчайшие сроки⁶². Дабы продемонстрировать свою позицию, он подал заявление об отставке, которое, как ни странно, приняли. Должность директора занял Леон Ледерман, заработавший себе славу недавним открытием прелестного кварка. Именно Ледерман запустил «Теватрон» и в 80-е определял его судьбу. (В 1989 г. директором стал Джон Пиплс, потом его сменил Майкл Уитерелл, за которым, в свою очередь, пришел Пьер Оддоун. Ледермана же удостоили звания почетного директора.)

Запуск «Теватрона» приветствовали физики всей Земли, осознавая, что его непревзойденная мощь дает уникальный шанс построить более полную научную картину субатомного мира. Третьего июля 1983 г., через двенадцать часов после пролета первого пучка, «Теватрон» достиг цифры в 512 ГэВ, установив новый мировой рекорд энергии, полученной на ускорителе. К хору почитателей присоединился и Хервиг Шоппер, бывший тогда генеральным директором ЦЕРНа. Посланная от его имени по телетайпу телеграмма гласила: «Шлем, искренние поздравления с Вашим потрясающим успехом. Вам впервые удалось ускорить протоны в кольце со сверхпроводящими магнитами до ранее недостижимых энергий. “Фермилабу” принадлежит первенство в применении сверхпроводящих магнитов, открывшем новую главу в ускорительной физике. Просим Вас передать наше восхищение всем, кто так или иначе причастен к этому успеху»⁶³.

Хотя главным соперником «Фермилаба» по-прежнему оставался ЦЕРН, основная борьба разворачивалась рядом с самим «Теватроном». Пример групп UA1 и UA2, удачно продемонстрировавших учение о выживании видов, привел Ледермана к мыcли организовать два антагонистических коллектива и на базе «Теватрона». Каждая из них отвечала бы за свой детектор и обрабатывала бы собственные данные. К бесспорным плюсам такой стратегии следует отнести то, что результаты одной группы проходят независимую проверку в другой.

В первую коллаборацию, образовавшуюся вокруг детектора CDF («Детектор на коллайдере в “Фермилабе”), вошли тысячи ученых и инженеров из США, Канады, Италии, Японии и Китая, представляющие 36 университетов и других организаций. Из-за невообразимого количества людей первые несколько страниц в каждой публикуемой статье приходилось отводить просто-напросто под длинный список имен.

CDF до сих пор в строю. Этот многофункциональный детектор весом под сотню тонн окружает одну из точек пересечения пучков и кропотливо отбирает осколки в поисках интересных событий. Как и в случае с ПСС, на CDF имеет смысл обращать внимание лишь на малую долю всех столкновений. Речь идет о тех событиях, когда кварк протона напрямую взаимодействует с антикварком антипротона, рождая всевозможные частицы, вылетающие под большими углами. На остальное и время тратить нечего, ведь вам же в метро не интересны прохожие, легонько задевающие вас в толпе.

Если вдруг CDF видит нечто, летящее под большим углом, он, подобно всем сложным детекторам, устраивает ему настоящий допрос. Ионизация, игравшая в классических приборах вроде камеры Вильсона ключевую роль, не менее важна и в современных методах отслеживания заряженных частиц. Изощренный инструмент под названием SVT («Кремниевый следопыт»), в котором используется технология тонких материалов, словно «по запаху» чует малейший заряд, указывая местоположение субатомных беглецов с точностью до десятитысячных долей сантиметра. Второй прибор, СТС («Центральная камера слежения»), заключен внутри сверхпроводящего магнита, заставляющего заряженные частицы отклоняться так, чтобы можно было измерить их импульс.

Но умей частицы чувствовать, они бы ощутили себя «морскими котиками» в первый день тренировок. Все испытания еще впереди. На следующем этапе частицу ждут муки в недрах двух разновидностей калориметров (приборов для измерения энергии частицы), электромагнитном и адронном. В них частица вынуждена пробиваться сквозь препятствия (соответственно слои свинца и железные пластинки), возбуждая ливни, пока с нее не сойдет семь потов - сколько бы их ни было, от калориметра не ускользнет ни один. Особо выносливым - мюонам - удается выйти из калориметров без значительных энергетических потерь, но они тут же попадают в мюонный датчик.

Чтобы в этой суматохе не упустить крупицы ценной информации, определенный набор показаний приводит в действие своего рода спусковой механизм. Как по волшебству, мгновенно подключается вся система сбора данных и начинает записывать все, что тем или иным образом относится к подозрительному событию: положения, импульсы, энергии - подчас десятки тысяч битов информации. Если этого не сделать, редкие процессы, которых, собственно, и ждут, рискуют быть засыпанными сугробами ничем не примечательных распадов.

Последняя стадия вообще никак не связана с самой установкой и происходит в виртуальном мире компьютеров. Хитроумные программы, подобно следователям-криминалистам, восстанавливают картину произошедших событий. Каждое потенциально интересное событие проходит «аутопсию», в ходе которой особенно отмечается недостаток энергии или импульса. Так как эти физические величины должны сохраняться, их дисбаланс намекает на проделки субатомных воришек вроде нейтрино, сумевших остаться незамеченными. Таким образом, подробный анализ является единственным способом заполнить все пробелы и восстановить ход событий во время столкновения.

На противоположной стороне кольца «Теватрона», напротив детектора CDF, трудится еще одна группа профессионалов. На своем детекторе коллаборация Do также копит ценные данные. Как и в CDF, во втором приборе присутствуют калориметры, системы слежения, мюонные детекторы и пусковые системы, но упор делается больше на калориметрию, чем на прорисовку треков. Эксперименты на Do привлекли ученых со всего земного шара: от Аргентины и Бразилии до Великобритании и Соединенных Штатов.

Одним из неиссякаемых источников кадров для коллаборации Do служит Университет Стоуни-Брук в штате Нью-Йорк. Будучи тамошним студентом, как раз когда шла подготовительная стадия проекта, я собственными глазами видел, насколько тщательно проверяют и калибруют каждый узел детектора. Все с единственной целью - убедиться, что он работает так, как нужно. В процессе калибровки показания прибора сравниваются с эталоном. Например, тестируя температурный датчик, лаборант смотрит, сходятся ли его показания с показаниями жидкостного термометра. Данным с детектора, не прошедшего калибровку, самое место в мусорной корзине. (Как известно, если весы не выставить на ноль, легко можно промахнуться со своим весом.) Помнится, помогая настраивать черенковский детектор, я должен был полностью изолировать от света комнатку размером с кладовку - чтобы внутрь проходили только космические лучи. Избавляясь от паразитных фотонов, я провел в темноте немало часов и истратил не один моток изоленты. И это только одно из тысяч отладочных испытаний, проводимых тысячами исследователей в течение многих тысяч дней до того момента, когда детектор наконец запустят. Физика высоких энергий, как и разведение нежных орхидей, требует огромного терпения. Но тем отраднее потом наслаждаться распустившимися цветками.

Упорство и изматывающий труд экспериментаторов, работающих на детекторах CDF и Do, были вознаграждены сполна 2 марта 1995 г. В тот день в «Фермилабе» на внеочередном совещании обе группы представили неопровержимые доказательства существования топ-кварка. По отдельности они уже предварительно сообщали об этом, но не хотели спешить с выводами и потому решили все перепроверить. Их заключение основывалось на подсчете энергии и других физических характеристик лептонов и образованных ими каскадов в специально отобранных событиях. Имея эти данные на руках, каждая группа вычислила массу кварка, 175 ГэВ. То есть это самая тяжелая из известных частиц - весит, как атом золота. Неудивительно, что она родилась только на таком мощном коллайдере!

Но у этой научной победы был и горький привкус. Она случилась буквально через два года после того, как загубили на корню инициативу, могущую ознаменовать новый виток в развитии американской физики. Коллайдер, задумывавшийся как самый большой и самый энергичный в мире, пал жертвой всеобщей экономии бюджетных средств. Американская физика высоких энергий свернула с намеченного пути.