Принцип эксперимента. 12 главных открытий физики элементарных частиц

Глава 8 Физика элементарных частиц выходит на новый уровень: странные резонансы

Луис Альварес клевал носом, когда самолет, на котором он летел, Great Artiste, приближался к Японии. Это было 6 августа 1945 года, незадолго до рассвета, и тридцатичетырехлетний физик был измотан. Его пилот следовал за другим самолетом, бомбардировщиком B-29 Enola Gay. Третий, неназванный, самолет, позже получивший прозвище «Необходимое зло», летел рядом. В отличие от большинства бомбардировок Второй мировой войны, в которых были задействованы сотни самолетов, в этой участвовали только три: они должны были скрытно подлететь и сбросить одну бомбу на город Хиросима. Но не обычное оружие, а «Малыша» – атомную бомбу, начиненную обогащенным ураном.

Альварес использовал свои знания физики в разработке «Малыша» в рамках Манхэттенского проекта – секретной американской программы, задуманной совместно с союзниками из Великобритании и Канады, – в котором было разработано первое ядерное оружие. За время войны проект превратился в огромное предприятие, на котором было занято 100 тысяч человек, большинство из них даже не подозревали о цели своей работы. Когда военное руководство приняло решение использовать новое оружие против Японии, Альваресу[174] было поручено установить приборы, которые могли бы отследить падение бомбы и замерить количество энергии, выделившейся при ее взрыве. Хотя Альварес был оснащен парашютом, он решил, что не станет его использовать: если их собьют, то лучше умереть, чем попасть в плен к японцам.

Выпущенная бомба пролетела 44 секунды, прежде чем взорваться. Небольшой внутренний взрыв – имплозия – объединил два куска высокообогащенного урана, образовав критическую массу. Затем ядра урана-235 разделились, высвободив нейтроны и запустив цепную реакцию. Ослепляющий световой импульс наполнил самолет Альвареса, за которым последовала серия ударных волн, угрожающих разорвать самолет на части. 10 минут – и ядерный гриб поднялся на высоту до 18 км. Альварес посмотрел на пейзаж внизу. Пустошь. Позже он писал, что «тщетно искал город, который был нашей целью», думая, что, возможно, они промахнулись. Пилот все ему разъяснил: цель – город Хиросима – поражена. 80 тысяч человек были убиты в одно мгновение.

На обратном пути на базу, когда до него дошла судьбоносность миссии, Альварес написал письмо своему четырехлетнему сыну. Он знал, что мальчику будет трудно понять, как его отец мог оказаться причастен к такому историческому событию. За плечами семьи Альвареса было много приключений: дедушка Альвареса сбежал на Кубу, изучал медицину в Калифорнии, затем женился на бабушке (выросшей в Китае) и перевез семью на Гавайи. Отец Луиса (тоже врач) и мать некоторое время работали в Мексике, прежде чем вернуться в Сан-Франциско, где родился Альварес. Высокий, светловолосый, смелый и умный, Альварес выбрал физику, поскольку чувствовал, что она приведет его к приключениям. Но военная работа была не тем приключением, которое он изначально имел в виду.

Три дня спустя Альварес наблюдал с острова Тиниан, как его коллеги вылетели сопровождать вторую бомбу, которая была сброшена на город Нагасаки. На следующий день, 10 августа 1945 года, японцы были готовы капитулировать. Альварес не писал об этих событиях еще 40 лет.

Сегодня Мемориальный музей мира в Хиросиме рассказывает историю разрушительного воздействия ядерного оружия на город и исследует более широкие последствия его применения во время Второй мировой войны. Физикам в этом музее особенно тревожно: поразительное количество известных имен из нашей области фигурирует в музейном описании Манхэттенского проекта. Многие из персонажей, с которыми мы уже встречались в этой книге, участвовали в разработке ядерного оружия, потому что обладали теми знаниями и навыками, которые были необходимы для этого проекта.

Циклотроны Эрнеста Лоуренса были преобразованы для разделения изотопов урана, а он сам руководил обширным предприятием по созданию калютронов (устройств для разделения изотопов) на основе накопленного его командой опыта при создании машин в Беркли. В проекте участвовали несколько сотрудников и студентов Лоуренса, в том числе Альварес. Сету Неддермейеру пришла в голову идея имплозии, позволяющей обеспечить критическую массу плутониевой бомбы, сброшенной на Нагасаки. Нильс Бор, Джеймс Чедвик, Джон Кокрофт и Марк Олифант принимали участие в проекте наряду со многими теоретиками, которые сыграли менее заметную роль в нашей истории, включая коллегу Лоуренса Роберта Оппенгеймера, как известно, возглавившего проект.

Некоторые приглашенные физики отказались от участия в Манхэттенском проекте, чтобы заняться другой работой во время войны. Карла Андерсона просили возглавить проект, но, поскольку ему нужно было заботиться о своей матери[175], он предпочел другую работу – с артиллерийскими ракетами. Одной из ученых, наотрез отказавшихся участвовать, была Лиза Мейтнер, одна из немногих женщин-физиков того времени. Прозванная Эйнштейном «немецкой Марией Кюри», Мейтнер была родом из Вены. Ей пришлось изучать физику в частном порядке, потому что государственные университеты не принимали женщин. Поощряемая и финансово поддерживаемая своим отцом, она отправилась в Берлин, после того как получила докторскую степень. Там она каким-то образом добилась разрешения Макса Планка на посещение его лекций и в конце концов стала его ассистенткой.

Позже, когда она стала первой женщиной-профессором физики в Германии, ей пришлось покинуть страну из-за своего еврейского происхождения. Лиза Мейтнер первой поняла, что ядра могут не просто испускать бета– или альфа-частицы, а полностью расщепляться[176], и ее племянник Отто Фриш назвал это явление «делением ядра». Несмотря на возможность применить свои знания, она отказалась присоединиться к Манхэттенскому проекту, заявив: «Я не стану иметь ничего общего с бомбой!» Коллега Мейтнер Отто Ган опубликовал первые доказательства деления ядра, не указав ее в качестве соавтора, чтобы не выдать факт своей с ней переписки и в результате не подвергнуться преследованиям. В 1944 году Ган был удостоен Нобелевской премии за эту работу. Вклад Мейтнер не был признан.

Те, кто все же согласился присоединиться к Манхэттенскому проекту, не знали, выполнима ли вообще порученная им задача – создать ядерное оружие. Но после первого испытания в июле 1945 года, названного «Тринити», стало ясно, что это действительно возможно. Это привело в ужас многих физиков, которые подписали петиции в Чикаго и Лос-Аламосе, возражая против применения созданного ими оружия. Но не в их власти было принимать решения. После того как были сброшены бомбы и разрушены Хиросима и Нагасаки, настрой физиков в Лос-Аламосе был мрачным. Как позже вспоминала Эвелин Литц, работавшая библиотекарем и занимавшаяся физикой здоровья, «в день, когда была сброшена бомба, не было никакого веселья… Все остались по домам; мы были очень серьезны»[177]. Многие физики, такие как Альварес, очень долго не говорили об этом событии. Большинство из них позже ссылались на то, что это помогло положить конец войне и, таким образом, спасло жизни с обеих сторон. Какой бы ни была их моральная позиция, работа была сделана.

Физики вышли из Второй мировой войны уже не такими наивными, сильнее осознавая свою социальную ответственность. Они не искали искупления, но в послевоенную эпоху определенно возродилось стремление использовать свои навыки на благо мирного общества. Во время войны физика использовалась в разрушительных целях, но теперь настало время для благородных стремлений: накопления знаний и открытия новых частиц. Как и в случае с Манхэттенским проектом, это начинание требовало международного сотрудничества, которое Соединенные Штаты, как уже доказано, способны обеспечить. Физики приступили к своей работе в совершенно иных масштабах, и это окупилось как для науки, так и для общества.

16 августа 1945 года Уинстон Черчилль заявил, что «Америка сегодня находится на вершине могущества». Он поделился с Палатой общин своим желанием сохранить секреты атомного оружия в тайне ради «общей мировой безопасности». Соединенные Штаты создали огромный военно-промышленный потенциал, который, по мнению Черчилля, накладывал на страну новые послевоенные обязательства. Он продолжил: «Пусть они действуют в соответствии со своими обязанностями, не для себя, а для других, для всех людей во всех странах, и тогда для человечества наступит более светлый день»[178].

Для многих молодых физиков, таких как Альварес, их исследовательская работа была прервана войной. Теперь каждый стоял перед выбором: что делать дальше? Большинство физиков вернулись в свои университеты и исследовательские лаборатории. Альварес вернулся в Беркли с твердым намерением применить свои знания о радарах в ускорителях частиц.

Его выбор был продиктован осознанием того, что он будет работать с лучшим оборудованием в мире. При финансовой поддержке правительства США команда из Беркли завершила строительство большого циклотрона, который они начали еще до войны, но с одним изменением: они включили принцип фазовой стабильности Эдвина Макмиллана[179] (см. главу 7) и построили протонный синхроциклотрон, который достиг беспрецедентной энергии пучка в 350 Мэ В. Команда из Беркли приступила к поиску новых частиц.

Природа, казалось, изобиловала частицами, которые не играли никакой роли в повседневной жизни, и было неясно, каково их значение. Что еще хуже, большинство новых частиц оказались долгоживущими (где «долго» означает наносекунды), что заставило теоретиков ломать голову. Новые частицы стали называть «странными». По всего нескольким фотографиям каждой новой частицы нельзя было полностью понять их.

Единственный способ разобраться в их тайнах – создать их в больших количествах в лаборатории.

Новый большой циклотрон в Беркли сыграл решающую роль. В 1949 году физики, работавшие с ускорителем Альвареса и Лоуренса на 350 МэВ, обнаружили частицу, которую не заметили облачные камеры: электрически нейтральную версию пиона[182]. Знаменательно то, что впервые неизвестная частица была обнаружена с использованием ускорителя, а не космических лучей. Наконец, технология ускорителей достигла беспрецедентных энергий, и с гораздо более совершенными и надежными машинами физики начали выходить за рамки того, что им могли предложить эксперименты с космическими лучами. Ускорители частиц обеспечивали контролируемые условия, необходимые для того, чтобы собрать воедино сложную головоломку из частиц и сил. Единственная проблема заключалась в том, что 350 МэВ – это недостаточно высокая энергия, чтобы увидеть полную картину.

Энергетический диапазон ускорителя был решающим, потому что странные частицы оказались тяжелыми – их масса больше массы ранее открытых частиц, таких как мюон и пион. Эквивалентность между энергией и массой определяется уравнением Эйнштейна E = mc² и настолько укоренилась в физике элементарных частиц, что мы даже используем единицы энергии для описания масс частиц. Нейтральный пион (π⁰), например, имеет массу 135 МэВ, что является его массой покоя – массой, измеренной в неподвижном состоянии, но выраженной в единицах энергии (МэВ). Эта эквивалентность между массами и энергиями частиц означает, что E = mc² дает нам обменный курс между массой и энергией. Это абсолютно ошеломляющий курс, потому что c, скорость света, составляет 299 792 458 метров в секунду. В квадрате это число настолько велико, что я не осмелюсь его здесь записать. И это больше не теоретический обмен: с большими ускорителями это стало экспериментальной реальностью.

Создание ускорителей для достижения более высоких энергий уже не сводилось только к исследованию нейтронов и протонов в ядре. Чего хотели ученые, хотя в то время они не формулировали это таким образом, так это создать совершенно новые частицы из вакуума, из энергии. Поначалу это сбивает с толку. Основной принцип заключается в том, что мы бомбардируем мишень высокоэнергетическими частицами – в данном случае протонами. Первоначальные частицы исчезают, и вся эта энергия преобразуется в новые частицы, новую материю. Исходная частица просто перестает существовать – что противоречит представлениям классической физики, но допускается в квантовой механике.

Конечно, тут есть ряд правил: природа не позволит вам бомбардировать любую мишень любой частицей и производить все, что вам заблагорассудится. Должны соблюдаться определенные величины. Например, общая энергия частиц, вступающих в столкновение, должна быть такой же, как и при выходе. Когда вы ударяете пучком частиц в цель, большая часть этой энергии идет не на создание новых частиц, а уносится в виде кинетической энергии в обломках. Существуют и другие правила, регулирующие взаимодействия частиц, включая сохранение электрического заряда, момент импульса (частица может вращаться вокруг своей оси) и другие квантовые числа, но подробнее об этом позже. Сейчас важно то, что для создания странных частиц физикам из Беркли был нужен протонный пучок с более высокой энергией, чем когда-либо мог обеспечить циклотрон.

Перед Альваресом и Лоуренсом возникла новая большая цель: построить машину достаточно мощную, чтобы создавать все известные странные частицы, обнаруженные в космических лучах, и, возможно, даже более тяжелые. Для этого надо построить машину нового типа. Вместо циклотрона, для которого требовался один огромный магнит (магнит для циклотрона с энергией в 350 МэВ был настолько велик, что команда из 100 человек смогла легко сфотографироваться, сидя в его железном ярме), они собирались построить ускоритель, кольцо которого состоит из множества небольших магнитов. Команда из Беркли начала разрабатывать планы протонного синхротрона[183] – кольцеобразной машины, отличной от ранее существовавшего синхроциклотрона, – которая могла бы достигать тех же энергий, что и частицы, исходящие от космических лучей. Поскольку такой ускоритель мог достигать миллиардов электрон-вольт, диапазона ГэВ, название машины было соответствующим: ее назвали Беватрон[184].

Команда из Беркли была не одинока в своих амбициях. На Лонг-Айленде 11 университетов объединились для создания новой Брукхейвенской национальной лаборатории, и строительство их собственного протонного синхротрона уже шло полным ходом. В 1953 году они запустили Космотрон – 23-метровое кольцо медного цвета, состоящее из 288 магнитов, каждый из которых весит шесть тонн. Вершина промышленной красоты. Внутри всей этой меди и железа находилась вакуумная труба, в которой протоны разгонялись до 88 % от скорости света. Когда Космотрон достиг расчетной энергии в 3,3 ГэВ, он стал рекордсменом среди ускорителей, превзойдя циклотрон в Беркли почти в 10 раз.

Команда из Беркли не отставала, и в 1954 году, всего через год после запуска Космотрона, Беватрон с ревом ожил. Ошибиться тут было невозможно: огромный мотор-генератор ходил взад и вперед, наполняя бетонный зал воющими звуками. Беватрон был даже больше Космотрона, его ширина составляла 41 метр, а вакуумная труба была такой большой, что, как говорили, по ней можно чуть ли не проехать на автомобиле. Альварес и его коллеги – главный физик Эд Лофгрен и инженер Уильям Бробек – превзошли своих соперников, достигнув почти вдвое большей энергии, чем у Космотрона, и создав пучок протонов с рекордной энергией в 6,2 Гэ В.

Зачем строить два ускорителя вместо одного? Помимо географического расстояния между двумя лабораториями и сосредоточения исследовательских сообществ на Восточном и Западном побережье, причина в первую очередь заключалась в том, что правительство США приняло решение продолжить эксплуатацию крупных лабораторий, созданных во время войны, объединив человеческие и финансовые ресурсы для достижения великих научных целей. А создание новых лабораторий, таких как Брукхейвен, могло обеспечить, как считалось, здоровую конкуренцию.

Технологические достижения Второй мировой войны продемонстрировали, что команда физиков и инженеров с достаточными ресурсами может решать невероятно сложные теоретические и практические проблемы. Более того, они доказали свою способность работать в командах беспрецедентного размера и сложности – сотни ученых и инженеров и десятки тысяч других сотрудников, от строителей до пожарных, – для достижения одних из самых сложных целей, которые когда-либо перед собой ставило человечество. Такой подход поспособствовал развитию других амбициозных научных проектов, включая космическую программу США и Советского Союза. Отныне физике, особенно в Соединенных Штатах, был присвоен статус, которого не было ни у одной другой дисциплины.

Такая поддержка физики совпала с периодом огромного роста в Соединенных Штатах. Экономика процветала, принося новые потребительские товары, новые богатства и развивая пригороды. Уровень рождаемости вырос: только в 1946 году родились рекордные 3,4 миллиона младенцев. Государственный бюджет также расширился за счет инвестиций в дорожное сообщение между штатами, школы, военные операции и новые технологии, такие как компьютеры. В результате в 1950–1960-х годах физика элементарных частиц также пережила бум. Сами физики обрели чувство уверенности. Ответы на животрепещущие вопросы были почти у них в руках: что это за странные частицы, обнаруженные в космических лучах, и что можно узнать из них о Вселенной, о материи и о силах, которые связывают все воедино? У всех ли новых частиц есть их эквивалент в антивеществе? И есть ли во всем какой-то основополагающий порядок?

Эксперименты переросли университетские лаборатории и стали проводиться на национальных объектах, объединяющих большие группы людей в стремлении к общей цели. Альварес и Лоуренс были лишь двумя из многих физиков, участвовавших в этом изменении. Эксперименты, проведенные в этот период, были сосредоточены на больших ускорителях частиц, начиная с Беватрона и Космотрона, которые в конечном итоге должны были подавать частицы в новые детекторы, выдающие миллионы изображений для анализа. Даже значение слова «эксперимент» в лексиконе физиков поменяло свое значение.

Как мы уже видели, раньше исследователи сами создавали свое оборудование с нуля или, по крайней мере, управляли им самостоятельно. Эксперимент служил проверкой или испытанием идеи ученого. Но к 1950-м годам эксперимент подразумевал создание гигантского механизма, спроектированного одной группой, обслуживаемого инженерами-специалистами, управляемого преданным своему делу персоналом, а полученные результаты анализировались одной командой и интерпретировались другой. Несколько групп в рамках одного эксперимента могли искать ответы на совершенно разные вопросы, а ускорители, детекторы и другие части оборудования изменялись и совершенствовались по мере изобретения и внедрения новых технологий. Стало трудно сказать, где заканчивается один эксперимент и начинается другой.

Сегодня исследователи в области физики элементарных частиц привыкли к крупным лабораториям и международному сотрудничеству, но это не всегда было в порядке вещей. Только в середине ХХ века, в эпоху Большой науки, объединились технологические, политические, научные и личные факторы, подарив нам современный подход к физике элементарных частиц. В результате количество обнаруживаемых частиц резко возросло, а эксперименты стали так далеко опережать теорию, что потребовалось почти 20 лет, чтобы математически осмыслить основополагающий порядок.

Сидя перед пультами управления, заполненными циферблатами и счетчиками, операторы ускорителей доводили Космотрон (на Восточном побережье) и Беватрон (на Западном побережье) до полной мощности, а затем направляли луч на цель, создавая потрясающий источник редких частиц. Вскоре команды произвели и измерили все известные частицы космических лучей: пионы, мюоны, позитроны и странные частицы. Теперь можно было наблюдать не просто отдельные пионы при кропотливом анализе космических лучей, а генерировать устойчивый пучок пионов с большим количеством энергии и детально его анализировать. В 1953 году на Космотроне пионы запустили в облачную камеру, где, как будто по требованию, было обнаружено огромное количество странных частиц, а вскоре и Беватрон последовал примеру. Благодаря ускорителям физики заполучили скорость передачи данных, о которой первооткрыватели космических лучей могли только мечтать.

К 1954 году, когда начал работать Беватрон, список странных частиц увеличился: по словам Альвареса, было найдено «несколько заряженных частиц и нейтральная частица, все с массами около 500 МэВ»[185], а также три более тяжелые, чем протон, нейтральная лямбда-частица (Λ), две заряженные сигмы-частицы (Σ^±) и отрицательная кси-частица (Ξ^—). Далекий от того, чтобы разом ответить на все их вопросы, список странностей только увеличивался по мере того, как ученые проводили больше измерений. Появлялись странные частицы со временем жизни в 100 миллиардов раз дольше, чем ожидалось. Не то чтобы они жили долго с объективной точки зрения – они распадались всего через 10^–10 секунд, в миллион раз быстрее, чем мгновение ока, – но по прогнозам теоретиков они должны распадаться всего за 10^–21 секунд, то есть еще в 100 миллиардов раз быстрее!

Кроме того, вопреки ожиданиям физиков, некоторые частицы не производились в равных количествах.

На тот момент физики считали, что в природе существуют четыре силы. Гравитация и электромагнетизм были хорошо известны, но они не объясняли ядерную сферу, поэтому были предложены две другие. Концепция сильного ядерного взаимодействия была выдвинута Хидеки Юкавой в 1934 году как сила, которая связывает протоны и нейтроны в ядре. Его теория исходила из частицы с массой, примерно в 200 раз превышающей массу электрона, которая переносила или опосредовала эту силу. Сначала считалось, что мюон – переносчик сильного взаимодействия, но вскоре это было исключено, поскольку он не взаимодействовал с ядерной материей ожидаемым образом. Позже была выдвинута кандидатура пиона, но это все еще оставалось неясным. Второй предложенной силой было слабое ядерное взаимодействие, ответственное за радиоактивный бета-распад, оно описывалось в теории Энрико Ферми еще в 1933 году. Куда вписывались странные частицы, оставалось неизвестным. Может ли быть так, что странные частицы создаются одной силой, сильным ядерным взаимодействием, но разрушаются через слабое взаимодействие?

В Мичиганском университете двадцатипятилетний физик-экспериментатор Дональд Глазер столкнулся с проблемой странных частиц. Даже в 1950 году он понимал, что странные частицы привели к тому, что физика элементарных частиц, по его словам, «как бы застряла»[186]. В то время все в этой области знали, в чем причина: недостаточно данных. Без дополнительных данных теоретикам недоставало информации, чтобы выяснить, что такое странные частицы или как они сочетаются с другими частицами и силами в природе. Глазер намеревался найти способ это исправить.

В отличие от многих других физиков того времени, Глазер не хотел работать в больших лабораториях, предпочитая вместо этого свою небольшую университетскую группу. Он тщательно обдумал, какой жизнью он хотел бы жить. Будучи спортивным человеком, он мечтал жить на вершине горы на горнолыжном курорте, днем катаясь на лыжах, пока его оборудование собирало данные. По вечерам он бы их просматривал и открывал новые частицы. Он знал, что некоторые швейцарские исследователи живут именно так, медленно, но устойчиво набирая новые знания с большим количеством времени для размышлений.

Глазер знал, что в новом детекторе ему надо найти способ придать взаимодействиям крошечных частиц огромное усиление, чтобы сделать их доступными для записи. Он имел в виду метастабильное состояние, когда крошечное количество энергии вызывает гораздо больший эффект, точно так же, как облачная камера использует метастабильное состояние перенасыщенного пара, чтобы вызвать образование облачных капель. Сначала Глазер рассматривал возможность использовать облака, но, когда узнал, что группа в Брукхейвене пытается построить облачную камеру с высоким давлением, где сброс между снимками занимает 20 минут, решил, что это бесполезно, так как такая камера никогда не соберет достаточно данных. Он отправился на охоту за новым способом регистрации частиц.

Глазер предположил наличие какой-нибудь жидкости, которая затвердевала бы при прохождении через нее частицы, образуя нечто вроде «пластиковой рождественской елки» из распадов и взаимодействий частиц. Он мечтал, что сможет собирать эти пластиковые деревья, измерять все углы и таким образом открывать новые частицы. Но, когда он попробовал провести такой эксперимент с химическим раствором, вместо того чтобы образовать «рождественские елки», смесь просто превратилась в вязкую коричневую массу. Глазер не стал утруждать себя публикацией результатов и перешел к следующей идее. Он попытался использовать кристаллы льда в воде, но понял, что потребовалось бы слишком много времени, чтобы растопить лед и возобновить эксперимент. Глазер перепробовал все физические, электрические и химические установки, какие только мог себе представить, но ни одна из них, казалось, не была способна произвести запись событий с участием частиц, пригодную для сбора данных.

Но в 1951 году мысль о скороварках все изменила. В скороварке вода нагревается до температуры выше точки кипения (100 градусов по Цельсию), прежде чем появляются пузырьки. Глазер задался вопросом, можно ли налить в скороварку жидкость и довести ее до такой температуры выше точки кипения, чтобы в случае быстрого снятия крышки она оказалась достаточно нестабильной и чувствительной к воздействию частиц[187].

Он попробовал несколько различных жидкостей, пытаясь выяснить, будут ли они образовывать пузырьки при воздействии источника излучения. У газированной воды слишком большое поверхностное натяжение для работы, с имбирным элем дела обстояли не лучше. В какой-то момент Глазеру пришла в голову идея, что подойдет жидкость с небольшим количеством алкоголя, и он нашел общедоступную жидкость, которая соответствовала критериям, – пиво. Единственная проблема заключалась в том, что алкоголь был запрещен на территории университета, поэтому Глазер протащил ящик на кафедру уже после закрытия. Он опустил бутылку в большой стакан с горячим маслом, поставил рядом источник кобальта-60 – мощный гамма-излучатель – и снял крышку в ожидании, будет ли пиво пениться по-другому из-за источника излучения. Глазер пришел к выводу, что на пиво, по-видимому, не влияет источник кобальта, но он забыл принять во внимание еще один аспект своего ночного эксперимента. Горячее пиво вспенилось так быстро, что взлетело в воздух, ударившись о потолок. На следующее утро Глазер оказался в неудобном положении: ему пришлось объяснять, почему вся кафедра провоняла пивом. Заведующий кафедрой, трезвенник, был в ярости[188].

В конце концов Глазер изучил соответствующие химические таблицы, где наткнулся на жидкость, называемую диэтиловым эфиром, которая обычно используется в качестве анестетика. Глазер создал маленькую стеклянную колбу размером примерно с большой палец и налил в нее диэтиловый эфир. Однажды ночью, примерно в 3 часа, он перегрел эфир, используя горячее масло. Затем он взял источник кобальта-60 и поднес его к колбе. Жидкость взорвалась пузырьками. Он поднес источник снова, и произошло то же самое. Физик быстро дополнил установку камерой с высокой частотой кадров и фотовспышкой, которую позаимствовал у коллег-инженеров, и сумел сделать снимок гамма-лучей, проходящих через крошечный детектор. У него получилось. Глазер изобрел новый тип детектора частиц: пузырьковую камеру[189].

Глазер понял, что его новое изобретение позволит собирать данные с огромной скоростью. В пузырьковой камере жидкость в 1000 раз плотнее воздуха, поэтому вероятность увидеть, как частица пройдет через камеру, в 1000 раз выше, чем в облачной камере. Он подготовил доклад, готовый представить свою работу на собрании Американского физического общества в Вашингтоне в апреле 1953 года.

Прибыв на конференцию, Глазер был расстроен, узнав, что его выступление запланировано на последний день, когда все пожилые и более признанные физики уже спешат на свои рейсы. Вечером за выпивкой он пожаловался на свое затруднительное положение группе старых физиков, среди которых был Луис Альварес. Альварес признал, что к тому времени он тоже покинул бы конференцию, но ему стало любопытно, над чем работает Глазер. Когда Альварес узнал о пузырьковой камере, он сразу понял значение идеи молодого человека: «Я безуспешно ломал голову в поисках подходящего детектора для Беватрона, который вот-вот запустят. Мне сразу стало ясно, что камера Глазера отлично подойдет»[190].

Альварес позаботился о том, чтобы два члена его команды остались и послушали выступление Глазера. И Альварес, и Глазер знали, что нужно сделать, чтобы пузырьковая камера показала себя как можно лучше в Беватроне. Во-первых, очевидным улучшением было бы заменить диэтиловый эфир жидким водородом: поскольку водород в основном состоит из протонов, это приведет к простым столкновениям высокоэнергетических протонов из Беватрона с протонами водорода. Однако водород чрезвычайно взрывоопасен, а жидкий водород чрезвычайно холодный – около –250 градусов по Цельсию, – поэтому все нужно делать очень осторожно. Вторая задача состояла в том, чтобы увеличить размер детектора и дать высокоэнергетическим протонам достаточно места для взаимодействия в водороде, создания странных частиц и оставления длинных треков, которые можно сфотографировать и проанализировать.

Глазер, уже будучи в Мичигане, знал, что не сможет конкурировать с огромными ресурсами и командами инженеров, которые были в распоряжении Альвареса. Он мечтал о своей идиллической жизни в горах, где сможет использовать пузырьковую камеру с высокоэнергетическими космическими лучами. Теперь он понял, что не так с его мечтой: пузырьковые следы появлялись и исчезали так быстро, что включить камеру в нужное время и сфотографировать взаимодействие частиц практически невозможно. К тому моменту, когда откроется затвор камеры, трек из пузырьков уже исчезнет. Единственный способ результативно использовать пузырьковую камеру – объединить ее с одним из больших ускорителей, где предсказуемое время возникновения частиц дало бы ему шанс обнаружить их взаимодействия.

После всех этих лет активного дистанцирования от работы в крупных лабораториях, казалось, у Глазера не было выбора. Он собрал своих студентов для тяжелого разговора, и в конце концов все они согласились перейти к работе на больших ускорителях. Глазер построил пропановую пузырьковую камеру размером 15 см в поперечнике и купил 12 м трейлер, в который он и его аспиранты погрузили все оборудование и отправились в путешествие по стране. Сначала Глазер хотел использовать свой детектор на Космотроне в Брукхейвене. В первом использованном рулоне пленки было всего 36 снимков. В череде изображений попалось от 30 до 40 примеров редких распадов, которые раньше не получалось запечатлеть при полетах на воздушном шаре и ядерных эмульсиях. Когда ученый вышел из фотолаборатории, вокруг него собралась огромная толпа. Он сказал: «…я не знал точно, что получится, но я знал, что если что-то и получится, то нечто грандиозное»[191].

У пузырьковой камеры гораздо более короткий цикл работы и лучшее разрешение, чем у облачной камеры, что соответствовало быстрому распространению частиц на новых ускорителях. Альварес и его команда отметили потенциал нового детектора и сразу же составили план по созданию большой водородной пузырьковой камеры для Беватрона. Сначала они воссоздали результаты Глазера, затем небольшая группа из механической мастерской помогла со строительством серии водородных пузырьковых камер все большего размера. Стеклянные колбы казались недостаточно прочными, поэтому были сконструированы стальные резервуары со стеклянными окнами, через которые можно было фотографировать пузырьки.

К 1958 году у Альвареса была 38-сантиметровая пузырьковая камера, работающая на базе Беватрона, и вскоре он убедил Глазера переехать в Калифорнию вместе с шестью аспирантами.

Альварес готовился запустить программу по созданию огромной двухметровой камеры с пузырьками жидкого водорода, но даже камеры меньшего размера уже снабдили физиков огромным количеством данных. Вскоре самой большой проблемой стал анализ миллионов полученных фотографий. Пузырьковая камера Глазера, безусловно, решила проблему слишком малого объема данных, но создала новую: для извлечения полезной информации из пленки требовались люди, которые просматривали бы каждое изображение по очереди.

Фотографии были разосланы по всему миру для изучения. У Глазера был специальный портфель со встроенным устройством для просмотра снимков, позволявший ему анализировать треки частиц во время своих многочисленных поездок между Брукхейвеном, Мичиганом, Чикаго и Беркли. Со временем этот анализ превратился в специализированную работу, выполняемую группой обученных «сканеров». Это была почти полностью женская группа, известная как «сканирующие девушки», которые день за днем анализировали следы частиц[192]. Сначала они измеряли длину и дугу интересных треков частиц, записывая данные вручную, шаг за шагом. Команда Альвареса в конечном итоге создала полуавтоматические измерительные машины, которые сканеры использовали для ввода данных на перфокарты и в первые компьютеры.

В результате этого индустриализированного сбора данных получилась не та четкая картина, которая ожидалась, а полная путаница. В 1958 году Альварес обнаружил новую сбивающую с толку частицу, которая была названа Y*(1385) – читается как «Y звездочка тысяча триста восемьдесят пять» – из-за ее массы около 1385 Мэ В. Я говорю «около», потому что ее масса была неопределенной, и в этом ключевая часть ее тайны. По правде говоря, массы всех частиц неопределенны; точность, с которой мы знаем массу, связана с тем, как долго они живут. Внесу ясность: это происходит не из-за ошибок в измерениях, а из-за свойства материи, закрепленного в ключевом принципе квантовой механики, – принципе неопределенности Гейзенберга. Этот принцип подразумевает, что чем короче время жизни частицы, тем меньше мы уверены в ее энергии – и, следовательно, в ее массе. Новая частица Y* Альвареса жила всего около 10^–23 секунд, поэтому ее масса составляла всего «около» 1385 Мэ В. То, что обнаружил Альварес, было не просто новой частицей, а самым преходящим физическим явлением в мире природы: даже двигаясь почти со скоростью света, они преодолевают расстояние, не превышающее ширины протона, прежде чем распасться.

Y* (1385) стала первой из совершенно нового типа частиц, резонансных частиц, и за ней последовали многие другие. На момент запуска Беватрона было известно около 30 частиц, но в конечном итоге обнаружено около 200 новых частиц и резонансов – так много, что ученые с лихвой израсходовали буквы греческого алфавита. В то время как экспериментаторы делали открытие за открытием, физики-теоретики затевали свою собственную творческую революцию, чтобы попытаться навести порядок в новых частицах.

Странные частицы указывали путь. В 1956 году физик-теоретик Мюррей Гелл-Манн[193] (и независимо от него Кадзухи-ко Нисидзима в 1953 году) присвоили каждой из странных частиц новую величину, называемую странностью. Идея заключалась в том, что странность сохраняется при сильных взаимодействиях: если при создании двух частиц у одной странность +1, а у другой —1, общая странность сохраняется. Заметив, что странные частицы обычно создаются парами, Гелл-Манн счел идею рабочей. Он также выдвинул причину, по которой странные частицы живут дольше, чем ожидалось: странность, как предсказал физик, не сохраняется при слабых распадах. Когда странные частицы распадаются на не-странные, распад не может происходить за счет сильного взаимодействия (которое должно подчиняться закону сохранения странности) – скорее, должен иметь место более медленный слабый распад. Их распад тормозится самой природой, что объясняет относительно длительное время жизни странных частиц.

К 1961 году Мюррей Гелл-Манн и Юваль Неэман предложили систему классификации, основанную на странности и электрическом заряде, которую часто называют «Восьмеричным путем» – отсылка к Благородному восьмеричному пути в буддизме. Математически обосновывая свою теорию, Геллман и Нееман смогли развести частицы по упорядоченным группам, создав систему классификации. Одним из аспектов классификации было различение спина частицы – квантового числа, описывающего собственный момент импульса частицы, вращающейся вокруг своей оси. Пионы и каоны (все со спином 0) образуют группу из восьми мезонов, в то время как лямбда, протон и нейтрон (со спином 1/2) были отнесены к другому октету из так называемых барионов. Также была выделена другая группа из 10 барионов – декуплет (все со спином 3/2), включающий такие странные частицы, как дельта, сигма и кси, все из которых уже были открыты. Но вот в чем загвоздка: в декуплете должна существовать пока еще ненайденная частица, названная омега-минус. Был только один способ убедиться в правильности системы Гелл-Манна.

К 1964 году Брукхейвен модернизировал Космотрон до нового ускорителя под названием Синхротрон с переменным градиентом (англ. Alternating Gradient Synchrotron – AGS)[194] и установил огромную двухметровую пузырьковую камеру с жидким водородом и 400-тонным магнитом. Команда во главе с Николасом Самиосом приступила к поискам омеги-минус. Ее открытие позже в том же году стало крупным триумфом новой теории. Физики двигались в правильном направлении.

После этого открытия математические основы классификации Гелл-Манна привели его к поистине поразительному предположению: протоны, нейтроны, мезоны (как пионы) и резонансы вовсе не фундаментальные частицы – они сами состоят из более мелких частиц. Гелл-Манн назвал эти фундаментальные составляющие кварками[195]. Он предположил, что существует три типа кварков: «верхние», «нижние» и «странные». Верхние и нижние кварки образуют протон и нейтрон, а странные кварки идут на создание странных частиц – каонов, лямбд и так далее. Резонансные частицы можно понимать как возбужденные состояния кварков, объединенных вместе.

Большая наука промышленного масштаба начала приносить свои плоды. Кажется, без нее мы никак не смогли бы прийти к идее кварков – маленькой команде просто невозможно построить и эксплуатировать такое массивное оборудование. Конечно, такое масштабное расширение сопряжено со своими проблемами: трудно даже выяснить, кто именно был вовлечен в открытие или какова была точная роль каждого отдельного ученого. Сохранилось очень мало записей сканирующих девушек. Аспиранты, покинувшие проект, никак не отображены в истории. В статье об открытии омега-минус обозначены 33 автора, и это не включая разработчиков ускорителей, инженеров, сканеров или теоретиков – даже Гелл-Манна[196]. Поэтому сегодня мы обычно слышим только истории о нескольких физиках-теоретиках, а не о командах экспериментаторов, инженеров и многих других, необходимых для таких открытий, как резонансные частицы и омега-минус.

Глазер, извечный поборник малой науки, был возмущен этим сдвигом в стиле работы. Всего через несколько лет после получения Нобелевской премии в 1960 году за пузырьковую камеру Глазеру так надоела административная работа, связанная с наблюдением за большими командами сканеров и инженеров, что он бросил физику и ушел в нейробиологию, где основал первую биотехнологическую компанию Cetus Corporation[197]. Альварес тем временем получил Нобелевскую премию в 1968 году.

Большая наука, практикуемая в таких лабораториях, как Беркли, объединяет ученых разных типов, что создает возможность проводить амбициозные прикладные исследования наряду с экспериментами, движимыми любопытством. Альварес стал сторонником этого стиля исследований, как и другой ветеран Манхэттенского проекта Роберт «Боб» Ратбун Уилсон. Как и Альварес, Уилсон был одним из бывших циклотронщиков Эрнеста Лоуренса, но после войны он переехал в Гарвард. Уилсон не гордился своей ролью в разработке атомного оружия, комментируя в интервью: «Я всегда надеялся, что мы не добьемся успеха»[198]. Уилсон вырос в Вайоминге, в семье бывших квакеров. Еще до войны он слыл пацифистом, но после своего военного опыта он твердо решил внести вклад в применение физики в мирных целях.

В 1946 году Уилсону пришла в голову идея, которая показалась ему настолько очевидной, что он посчитал, что она, должно быть, уже приходила в голову многим другим. Энергии протонных пучков циклотронов теперь достаточно высоки, несколько сотен МэВ, чтобы лучи могли проникать глубоко в ткани человека и оказывать прямое терапевтическое применение, особенно при лечении рака. Когда его предложение дошло до медицинского сообщества, оказалось, что никто на самом деле не думал об этом. Воплощение этой идеи заняло бы много лет, но в конечном итоге она проложила бы путь к созданию совершенно нового лечения рака с использованием высокоэнергетических заряженных частиц – корпускулярной терапии[199].

Вопрос, на который нужно было ответить Уилсону, заключался в следующем: как высокоэнергетические частицы взаимодействуют с человеческим телом и можно ли их использовать для лечения рака? Наслышанный об успешной истории применения циклотронных изотопов в медицине, он знал, что можно обратиться к брату Эрнеста Лоуренса, Джону.

В 1950-х годах лечение рака с помощью радиации плотно вошло в медицину. Рентгеновские лучи (а иногда и электроны) использовались в лучевой терапии, потому что было хорошо известно, что ионизирующее излучение – излучение с достаточной энергией для вытеснения электронов и образования ионов – может убивать раковые клетки. Цель такого лечения всегда состоит в том, чтобы доставить достаточную дозу излучения к опухоли и уничтожить ее, но как можно меньше воздействовать на здоровую ткань, чего бывает трудно достичь.

Сложность обуславливается непредсказуемостью поведения лучей в материи, и именно поэтому идея Уилсона стала огромным прорывом.

Когда высокоэнергетический фотон или электрон попадает в человеческую ткань, которая примерно на 70 % состоит из воды, он взаимодействует с электронами вокруг атомов и довольно быстро теряет энергию. С точки зрения дозы облучения это означает, что большое ее количество откладывается непосредственно под кожей и меньшее количество уходит вглубь тела. Но когда тяжелая заряженная частица попадает в ткань или воду, крошечных электронов недостаточно, чтобы замедлить ее, поэтому она медленно теряет энергию, лишь немного отклоняясь от своего пути. Протон или другая тяжелая заряженная частица может проникнуть глубоко внутрь тела, поначалу выделяя очень мало энергии, замедлиться и в конечном итоге остановиться, доставив большую часть своей энергии (и, следовательно, урона) к концу своего пути. Если вы построите график зависимости потери энергии протона от глубины его попадания в вещество, он будет следовать кривой, называемой пиком Брэгга[200].

Уилсон понял, что с точки зрения биологии пик Брэгга тяжелых заряженных частиц гораздо лучше подойдет для лечения опухолей. В зависимости от начальной энергии протонов частицы могут останавливаться на разных глубинах, позволяя врачам точно направлять излучение туда, где оно необходимо. Но физика излучения и материи – это одно, а еще предстояло выяснить воздействие на человека.

Джон Лоуренс и его коллега доктор Роберт Стоун ранее исследовали использование нейтронов в терапии, но их результаты были неубедительными. Идея Уилсона использовать вместо этого заряженные частицы побудила их коллегу Корнелиуса Тобиаса в 1948 году провести биологические эксперименты с использованием циклотрона с энергией 350 МэВ и проверить влияние протонов и дейтронов на клетки. Результаты оказались многообещающими, и в 1952 году воздействию пучков ионов дейтрона и гелия подвергся первый человек. В 1954 году – в тот год, когда был запущен Беватрон, – первый человек подвергся воздействию протонных лучей.

Несмотря на наличие более точного инструмента для доставки излучения вглубь тела, врачи не могли использовать пучки частиц, потому что им пришлось бы действовать вслепую: современные методы визуализации не позволяли им наблюдать происходящее в теле человека, потому что компьютерная томография (глава 1) еще не была изобретена. Одной из мишеней, которую можно было увидеть, был гипофиз, контролирующий высвобождение определенных гормонов. Поэтому первый метод лечения был направлен на остановку выработки гипофизом гормонов, вызывающих рост раковых клеток. Благодаря этому методу самая первая пациентка, женщина с метастатическим раком груди, была успешно вылечена[201]. Прошло еще несколько десятилетий, прежде чем объединение технологий визуализации и применения ускорителей позволило разработать эффективный способ лечения рака, однако этот эпизод положил начало развитию одного из самых сложных медицинских методов.

Сегодня более 100 центров по всему миру предлагают терапию частицами – с использованием либо протонов, либо тяжелых ионов (обычно ионов углерода). Всего 10 лет назад было 22 центра, и их число продолжает расти в геометрической прогрессии. Терапия частицами особенно хорошо подходит для лечения глубоких и труднодоступных опухолей, тяжелых детских случаев или опухолей вблизи важных органов. В 2016 году в Великобритании одна семья попала на первые полосы газет после того, что проехала через всю Европу, вопреки советам врачей, ради лечения своего ребенка в Праге с помощью протонной терапии, в то время как первый в Великобритании протонный терапевтический центр еще только строился.

Центры тщательно спроектированы таким образом, что пациенты едва ли знают о том, что поблизости находится ускоритель частиц. В Институте Пола Шеррера в Швейцарии процедурные кабинеты расположены в коридорах, отделанных деревянными панелями, с подсвеченными бумажными экранами в японском стиле, создающими ощущение, что дневной свет находится прямо за стеной. Экраны маскируют бетонную радиационную защиту метровой толщины. Во время лечения пациент лежит на кровати из углеродного волокна, установленной на роботизированной системе позиционирования, в центре небольшой комнаты. Если бы не большая белая металлическая насадка, торчащая из потолка, можно было бы ожидать, что хирург появится в любую минуту. Но в этом учреждении не требуются хирурги-люди.

Любопытным пациентам (или физикам) разрешена экскурсия за кулисы. Прочные на вид стены процедурного кабинета скрывают похожее на пещеру пространство, заполненное большим оборудованием, звуками вакуумных насосов и жужжанием источников питания. В задней части пещеры металлическая вакуумная трубка выходит через отверстие в бетонной защите, пропуская протоны из ближайшего ускорителя. Протонный луч проходит через ряд магнитов, которые поднимаются над палатой пациента. Наконец, он изгибается с помощью 200-тонного магнита, который направляет луч туда, где он необходим. Да, один из магнитов почти в два раза тяжелее синего кита. И да, он часто находится прямо над пациентом.

Вся конструкция, называемая гантри, движется: она вращается вокруг пациента, направляя луч под любым углом, пока пациент лежит на кровати, не в состоянии ощутить или почувствовать пучок частиц, взаимодействующий с его телом. Для протонной терапии циклотрон диаметром в несколько метров – лишь небольшая часть системы. Для более тяжелых частиц требуются синхротроны диаметром около 20 метров.

Те же ученые, которые разрабатывают ускорители частиц для физики элементарных частиц, разрабатывают синхротроны (и некоторые циклотроны) для терапии частицами в больницах. Совместное развитие терапии рака и физики элементарных частиц стало возможным благодаря междисциплинарному сотрудничеству. Все так и задумывалось: Лоуренс (который умер в 1958 году) и его преемники намеревались создать среду, в которой знания могли бы легко пересекать границы дисциплин. Этот новый масштабный командный подход к науке одновременно произвел революцию в нашем понимании частиц и катализировал их пользу для общества.

Этот переход произошел не только в Соединенных Штатах, но и во всем мире. По мере восстановления после Второй мировой войны в Европе французский физик Луи де Бройль предложил европейским ученым объединиться и создать многонациональную лабораторию. Это было необходимо, если они хотели продолжить исследования в области физики высоких энергий. Оглядываясь на крупные проекты, планируемые и реализуемые в Соединенных Штатах, они знали, что единственный способ остаться в игре – это объединить ресурсы. После лоббирования правительств в течение ряда лет двенадцать стран Западной Европы ратифицировали создание в 1954 году новой лаборатории, Европейского совета по ядерным исследованиям (ЦЕРН), недалеко от Женевы. В нем приняли участие исследователи из стран, которые всего несколько лет назад находились в состоянии войны, включая Бельгию, Данию, Францию, Германию, Грецию, Италию, Нидерланды, Норвегию, Швецию, Швейцарию, Соединенное Королевство и Югославию. Управляемый рядом советов, в которых есть представители каждой страны-участницы, ЦЕРН создал уникальную структуру для принятия решений и продвижения крупных научных проектов, поощряя страны к совместной работе для достижения общих целей. В отличие от многих лабораторий США, в конвенции ЦЕРН записано, что лаборатория «не должна проводить работу в военных целях, а результаты ее экспериментальных и теоретических работ должны публиковаться или иным образом становиться общедоступными». Задачей ЦЕРН была и остается наука во имя мира.

Тем временем научный потенциал Японии был разрушен не только из-за бедности, вызванной войной, но и из-за действий американских военных в 1945 году. Опасаясь, что циклотроны могут быть использованы для создания ядерного оружия, солдаты оккупационной армии США разбили четыре больших японских циклотрона и сбросили их в Токийскую гавань[202]. Конец этому положил Сан-Францисский мирный договор, вступивший в силу в 1952 году, который восстановил мир между Японией и частью стран антигитлеровской коалиции и даже позволил японцам задуматься о создании новых машин. Сегодня в Японии проводятся исследования мирового уровня не только в области физики элементарных частиц, но и в области терапии частицами.

Для физиков 1960-х годов применение их работ в биологии все еще оставалось побочным проектом, полная реализация которого была далеко в будущем. С новой системой классификации элементарных частиц они наконец пришли к пониманию материи и сил на более фундаментальном уровне. Не все новые частицы были элементарными, некоторые из них имели составляющие, называемые кварками, но сами кварки до сих пор не наблюдались. Все частицы, содержащие кварки, взаимодействуют через сильное ядерное взаимодействие, но физики на данный момент все еще не разгадали тайну того, как работает слабое ядерное взаимодействие. Они знали только, что эта четвертая сила ответственна за бета-распад. И именно бета-распад ведет нас к нашему следующему приключению.

Глава 9 Мега-детекторы: поиск неуловимого нейтрино

Из трех основных типов радиоактивного распада – альфа, бета и гамма – один странно отличался от других. Бета-распад беспокоил физиков с начала 1900-х годов, поскольку казалось, что он нарушает один из основополагающих законов физики. Разгадка тайны бета-распада заняла более 50 лет и потребовала от физиков провести серию экстраординарных подземных экспериментов, чтобы найти теоретическую новую частицу, которую, по мнению ведущих экспертов, невозможно обнаружить. Этой частицей было нейтрино: самая распространенная, но самая неуловимая частица во Вселенной.

С начала 1900-х годов эксперименты показали, что при бета-распаде образуются электроны с диапазоном самых различных энергий. В то время это не вызвало особого беспокойства, но после открытия атомного ядра у физиков возникли вопросы. Когда элемент подвергается бета-распаду, он не остается неизменным: элемент смещается на одно место вправо в периодической таблице. Это совсем не то же самое, что потерять электрон с атомной орбиты, поскольку это изменит только электрический заряд атома, а не тип атома. При бета-распаде ядро излучает электрон. Детальные измерения Джеймса Чедвика и его коллег показали, что бета-частицы имеют непрерывный характер энергий, варьирующийся от очень малой до практически максимальной энергии, по-видимому, случайным образом. Это проблема совершенно иного уровня: бета-распад нарушает самые основные принципы физики.

У каждого физика было свое мнение на этот счет. Некоторые, как Нильс Бор, намеревались отказаться от идеи сохранения импульса или, по крайней мере, обойти ее, предположив, что в крошечных атомных масштабах энергия сохраняется только в среднем, а не при каждом отдельном распаде. Однако один теоретик, Вольфганг Паули, не смог так просто отказаться от этой тайны. Паули был хорошо известен своим критическим и рациональным подходом, так что ему даже дали прозвище «бич Божий». Его не устроило предложение голландско-американского физика Петера Дебая, который на встрече в Брюсселе предложил просто не думать о бета-распаде вообще. Паули был полон решимости придерживаться закона сохранения импульса и сумел найти теоретическое решение, но, к его ужасу, это сделало ситуацию еще хуже. «Я совершил ужасный поступок, – говорил он. – Я постулировал частицу, которую невозможно обнаружить».

Паули впервые изложил свою идею другим физикам в письме 1930 года. Возможно, предположил он, энергию уносит крошечная электрически нейтральная частица? Паули счел это настолько нелепым, что, как он писал своим адресатам, «он не смеет ничего публиковать» на эту тему и сначала обратится к своей «дорогой группе радиоактивных» и спросит, насколько вероятно найти экспериментальные доказательства существования такой частицы. Проблема, как хорошо знал Паули, заключалась в том, что такая частица, по прогнозам, не имеет массы и электрического заряда, что делало практически невозможным ее обнаружение в эксперименте.

В 1933 году идея Паули была воплощена в теории бета-распада Энрико Ферми, итальянского физика, которого уважали как за его теоретические, так и за экспериментальные навыки. Ферми назвал новую частицу нейтрино, или «нейтрончик», и представил теорию в журнале Nature. Ее отклонили на том основании, что в ней «содержались предположения, слишком далекие от реальности, чтобы представлять интерес для читателя». Год спустя в Манчестере физики Рудольф Пайерлс и Ханс Бете подсчитали, что нейтрино, образующиеся при бета-распаде, могут проходить через всю Землю, никак не взаимодействуя с материей. Фактически они могут пройти через свинец толщиной, измеряемой в световых годах. Теоретически нейтрино могло бы решить проблему бета-распада, но какая польза от частицы, если ее невозможно обнаружить, а потому нельзя и проверить? Еще многие годы экспериментаторы так или иначе игнорировали нейтрино.

Все так и продолжалось еще в течение двух десятилетий. Наконец, в 1950-х годах тридцатитрехлетний физик решил заняться неуловимым нейтрино. Этим человеком был Фред Райнес, родом из маленького городка Нью-Джерси. Он едва закончил свою докторскую, когда начал работать над теоретической частью Манхэттенского проекта, и продолжал работать в Лос-Аламосе после войны. Интерес Райнеса к физике пригодился правительству, но, как и в случае многих его коллег, война использовала его знания для работы над атомным оружием. Райнес решил, что пришло время заняться чем-то более фундаментальным для физики. Спустя несколько недель, проведенных в офисе, он понял, что единственная идея, которая постоянно возвращается к нему, – это поиск нейтрино.

Как создать источник нейтрино? Как их обнаружить? Если бы Райнес построил правильный детектор, возможно, он смог бы доказать их существование. Быстрый расчет подсказал ему, что даже если бы он смог придумать необходимый детектор, вероятность взаимодействия нейтрино настолько мала, что детектор должен быть огромным. Лучше всего подошла бы какая-нибудь жидкость, но самые большие жидкостные детекторы в те дни были объемом около литра. (Это был 1951 год, и пузырьковая камера Дональда Глазера только создавалась, хотя она все равно не могла непосредственно обнаружить нейтрально заряженные нейтрино). Как сделать детектор с объемом в тысячу раз больше того, что считалось самым современным? Энрико Ферми тоже понятия не имел, как[203]. А уж если Ферми не может это сделать, как может кто-то другой? Это казалось невозможным, и на какое-то время Райнес отложил идею в сторону.

Вскоре после этого он застрял в аэропорту Канзас-Сити из-за неисправности двигателя самолета. Его коллега из Лос-Аламоса, Клайд Коуэн, тоже застрял. Коуэн был инженером-химиком и бывшим капитаном ВВС США и во время войны служил офицером связи. Там, где Райнес был искрометным экстравертом, Коуэн был более сдержанным, менее общительным, но блестящим экспериментатором. Они вдвоем бродили по аэропорту и беседовали, и когда Райнес предложил свою идею поиска нейтрино, Коуэн тут же за нее ухватился. Они решили отправиться на поиски нейтрино просто потому, что все говорили, что это невозможно. Их менеджеры в Лос-Аламосе согласились на диковинное предложение, и так родилось новое сотрудничество.

При запуске проекта в 1951 году была сделана фотография Райнеса и Коуэна с их командой из пяти человек, окруживших на лестничной клетке картонную вывеску. На ней был нарисованный от руки логотип с вытаращенным глазом и надпись «Проект “Полтергейст”». За вывеской один из участников зачем-то держал большую метлу. Все они в приподнятом настроении, как и следовало ожидать: их предложенный эксперимент включал в себя строительство огромного резервуара, наполненного чрезвычайно хорошо отфильтрованными и подготовленными жидкостями, тонкую электронику и надежду, что они смогут поймать частицу, считающуюся почти неуловимой.

Райнес и Коуэн изучили теорию нейтрино Ферми, которая гласила, что нейтрино невероятно редко взаимодействует с веществом, поэтому их первый шаг – найти что-то, что могло бы обеспечить как можно больше нейтрино. Хотя каждое нейтрино может пройти долгий путь через материю, статистически, если бы их было достаточно, некоторые из них могли бы случайно взаимодействовать с ядром на пути через детектор. Первая идея физиков заключалась в поимке нейтрино от атомной бомбы, но вскоре они поняли, что новая технология ядерных реакторов предлагает куда менее опасную альтернативу. По расчетам ядерный реактор должен производить огромный поток 10 тыс. млрд (10¹³) нейтрино в секунду на квадратный сантиметр. Не так много, как ядерное оружие, но все же реактор – постоянный источник, который мог производить нейтрино в течение очень длительного периода времени.

Райнес и Коуэн сосредоточили свое внимание на поиске реакции, предсказанной теорией Ферми, в которой протон захватывает нейтрино, превращаясь в нейтрон и испуская позитрон[204]. В результате этого процесса ожидалась двойная сигнатура от нейтрино. Во-первых, позитрон аннигилировал бы электрон, создавая вспышку гамма-лучей, которая была бы контрольным признаком того, что нейтрино посетило детектор. Вторая часть сигнала должна исходить от появляющегося нейтрона, который будет поглощен ядром и испустит гамма-излучение примерно пять микросекунд спустя. Что действительно было нужно проекту «Полтергейст», так это система, способная уловить две вспышки гамма-излучения с интервалом в пять микросекунд. Ученые надеялись, что этот сигнал позволит отличить нейтрино от космического луча или другого фонового шума.

Выяснив, что они ищут, Райнес и Коуэн сконструировали детектор. Здесь в игру вступили два последних технологических достижения. Первым было открытие того, что некоторые прозрачные органические жидкости излучают видимый свет, когда через них проходит гамма-луч или заряженная частица. Такой «жидкий сцинтиллятор» выдает небольшие вспышки, которые затем можно уловить с помощью другого хитроумного изобретения – фотоэлектронного умножителя. Эти вакуумные трубки немного похожи на длинные электрические лампочки, заполненные электроникой. Когда вспышка света попадает на переднюю часть одной из этих вакуумных ламп, она преобразуется в поток электронов (благодаря фотоэлектрическому эффекту, описанному в главе 3), вследствие усиления которого возникает электрический импульс, достаточно мощный для того, чтобы его можно было измерить с помощью электроники. Фотоэлектронные умножители должны были стать глазами эксперимента[205]. Как вы можете видеть, здесь требовались знания не только физики, но также химии и электроники.

Команда попыталась разработать полностью электронный метод измерения. Больше не было необходимости анализировать миллионы фотографий, как в облачной или пузырьковой камере. Если нейтрино действительно провзаимодействуют в жидком сцинтилляторе, трубки уловят определенную последовательность вспышек и отобразят их в виде вспышек на осциллографе[206]. Время между импульсами подтвердило бы присутствие нейтрино.

Недостаток электронных измерений заключался в том, что сами ученые были несколько отстранены от происходящего в эксперименте. Сложно интуитивно понять данные, когда все, на что нужно смотреть, – это несколько вспышек. Любая вспышка гамма-излучения в детекторе с последующей случайной вспышкой через пять микросекунд может обмануть физиков, заставив их думать, что они видели нейтрино. Надо было убедиться, что этого не произойдет, но был только один способ сделать это: удалить все другие возможные источники радиации из окружающей среды. Теперь началась по-настоящему тяжелая работа.

Рабочее место Райнеса и Коуэна представляло собой похожее на склад здание, изолированное и неотапливаемое. Постоянно прибывали грузовики с деталями для эксперимента, а коробки забивали помещение так, что чуть ли не вдвое превышали рост физиков. Команда потратила месяцы на тестирование различных смесей сцинтиллятора и измерение отклика фотоэлектронного умножителя, чтобы убедиться, что электроника исправна. Зимой отсутствие отопления тоже оказалось некстати, так как температура жидкости для сцинтиллятора должна поддерживаться выше 16 градусов по Цельсию, чтобы жидкость не мутнела и не портила эксперимент. Команда установила электрические обогреватели, чтобы поддерживать необходимую температуру своих реагентов, но обеспечить тепло для себя им не позволяли счета за электричество.

Первая версия детектора собралась в прототип, получивший название «Эль Монстро». Когда все, казалось, работало, команда построила второй детектор, который назвала «Герр Ауге», или «Мистер Глаз». Это были уже далеко не литровые детекторы: теперь объем емкости составлял 300 литров, и ее окружали 90 фотоэлектронных умножителей.

Затем команда приступила к титанической задаче устранения источников излучения, которые производили случайные гамма-лучи в детекторе. Некоторые источники были очевидны и предсказуемы: нейтроны, исходящие из ядерного реактора, можно было блокировать толстым слоем парафина. На эту защиту не было потрачено практически ничего: команда изготовила парафиновые блоки самостоятельно, расчистив снег снаружи здания и отливая каждый блок вручную, чтобы затем отправить его к реактору.

Другие источники радиации удалить было труднее, поскольку «Герр Ауге» улавливал излучение, которого не улавливали счетчики Гейгера и другие приборы. «Герр Ауге» оказался лучшим детектором гамма-лучей, который когда-либо существовал. Он был настолько чувствителен, что ученые даже решили спустить в него нескольких членов команды, чтобы посмотреть, обнаруживает ли детектор излучение от человеческого тела. В результате была обнаружена легко детектируемая скорость счета, обусловленная содержанием небольшого количества радиоактивного калия-40 в организме их секретаря и коллег[207]. Такая чувствительность была команде на руку: они поняли, что детектор может помочь в построении самого себя.

Перед постройкой каждой новой детали они помещали ее в «Герр Ауге» для измерения уровня радиоактивности. Латунь и алюминий оказались радиоактивнее железа и стали. Даже калий в стекле фотоэлектронного умножителя вносил свой вклад в фоновый шум. В физической структуре детектора были обнаружены некоторые радиоактивные компоненты, которые пришлось разобрать и заменить. В каждом случае команда кропотливо заменяла любой материал, производящий фоновый шум. Это может показаться крайним уровнем совершенства, но ученым нужно было быть уверенными в источнике буквально каждой вспышки фотона в их детекторе, и, как оказалось, таких источников было много.

После нескольких месяцев работы все было готово. Детектор перевезли и установили рядом с ядерным реактором в Хэнфорде, штат Вашингтон. Затем физики стали ждать. Они знали, что не будет никакого «Ага!» – только постепенное накопление отдельных событий, которые они проанализируют, когда соберут достаточно данных. В течение нескольких месяцев члены команды сменяли друг друга, ожидая и наблюдая, пока их система бесшумно работала в своем сильно экранированном корпусе.

Когда команда перегруппировалась и проанализировала данные, были замечены какие-то вспышки света, соответствующие нейтрино. Соблазнительные результаты, но еще не убедительные. В данных все еще было слишком много шума, чтобы можно было объявить об открытии. Шум исходил не от искусственного излучения или материалов детектора, а от космических лучей. Столько работы проделано по снижению излучения, но оставалось устранить последний источник… Был только один возможный способ защитить свой эксперимент от излучения, поступающего из космоса: надо перенести его под землю.

К счастью, в Саванна-Ривер, ядерном могильнике в Южной Каролине, нашлось свободное место в подвале, и владелец разрешил физикам провести свой эксперимент на глубине 12 метров. К Райнесу и Коуэну присоединились еще несколько коллег из Лос-Аламоса, и все вместе они взялись перестраивать весь детектор.

К концу 1955 года проект «Полтергейст» был официально известен как «Нейтринный эксперимент в Саванна-Ривер». Установка превратилась в трехслойный сверкающий сэндвич с прямоугольными резервуарами, весящими колоссальные 10 тонн. Детектор находился под реактором, окутанный слоями экранирования, в то время как электронные кабели передавали сигналы на трейлер снаружи.

Райнес и Коуэн оставались в Саванна-Ривер около пяти месяцев. Как только химия и электроника были готовы, все свелось просто к тщательному сбору данных, вспышка за вспышкой. Каждый раз, когда хотя бы раз или два раза в час случился «блип-буп» двух вспышек с интервалом в пять микросекунд, ученых переполняла надежда, которая так и шептала: «Нейтрино…»

Ученые были полны решимости убедиться, что им не показалось. Ничто не было оставлено на волю случая. Они протестировали детектор с помощью источника позитронов, чтобы убедиться, что свет, испускаемый позитроном, дает тот самый «блип» на экране, а затем проверяли источник нейтронов, чтобы убедиться, что он дает ожидаемый «буп». Они полностью откачали сцинтилляционную жидкость, повторно откалибровали смесь, чтобы изменить время второй световой вспышки, и это дало желаемый эффект. За все это время они записали данные за 900 часов, когда реактор был включен, и 250 часов, когда он был выключен.

В конечном итоге, чтобы быть полностью уверенными, что они не просто видят фоновые нейтроны от реактора, они привезли грузовики мешков с песком с местной лесопилки и пропитали мешки водой. Один за одним сотрудники притащили их к установке и соорудили вокруг детектора стены толщиной в 1,2 метра. Это обеспечило достаточную дополнительную защиту, чтобы блокировать любые нейтроны реактора. И вот снова эти две заветные вспышки, те самые «блип-буп». Нейтринный сигнал сохранялся.

Момент эврики наступил не в спешке, а в постепенном накоплении данных до тех пор, пока не осталось никаких сомнений. Когда все было суммировано, нейтринных сигналов оказалось в пять раз больше при включенном реакторе по сравнению с тем, когда он был выключен. Команде удалось, несмотря ни на что, разработать систему, которая из 100 триллионов (10¹⁴) нейтрино, испускаемых реактором каждую секунду, могла улавливать несколько нейтрино каждый час и измерять их взаимодействие. 25 лет спустя после того, как Паули предсказал существование частицы, которую невозможно обнаружить, Райнес, Коуэн и их команда достигли невозможного.

Неуловимое нейтрино наконец-то было найдено, а закон сохранения импульса соблюдался даже в самом малом масштабе, объясняя процесс радиоактивного бета-распада. Нейтрино было не просто плодом теоретического воображения, а реальным и осязаемым: неуловимой, нейтральной, легкой частицей, способной беспрепятственно путешествовать в самые глубокие уголки Вселенной. Открытие нейтрино привело к совершенно новым областям исследований.

После первого обнаружения возникало все больше и больше вопросов о нейтрино. Каковы их свойства? Существует только один тип нейтрино или несколько? Они стабильны или имеют ограниченный срок жизни? В ходе каких процессов во Вселенной они появляются? Как и многие эксперименты, которые мы видели, проект «Полтергейст» породил лавину новых вопросов, и со временем на большинство – но не на все – из них были даны ответы. Неуловимое нейтрино оказалось куда важнее, чем считалось ранее. Оно не просто помогло нам понять радиоактивный распад, оно подарило нам новый взгляд на Солнце, сверхновые и происхождение материи.

Растущее значение и богатство этой области исследований можно увидеть по признанию Нобелевского комитета. В области физики нейтрино были присуждены три Нобелевские премии – и все намного позже первоначального эксперимента. Первая премия досталась в 1995 году Райнесу спустя десятилетия после их открытия (Коуэн, к сожалению, скончался тринадцатью годами ранее), вторая – Рэю Дэвису и Масатоси Косибе в 2002 году, а третья – Такааки Кадзите и Артуру Макдональду в 2015 году.

Первоначальный поиск нейтрино был мотивирован загадкой бета-распада, и предположение Паули о нейтрино появилось в 1933 году, всего через год после открытия Чедвиком нейтрона. Теперь мы можем объединить эти идеи, чтобы лучше понять, что происходит в атомном ядре во время бета-распада: нейтрон превращается в протон, изменяя тип элемента и высвобождая электрон (чтобы сбалансировать электрический заряд) и нейтрино[208]. Нейтрино уносит часть энергии в ходе этой реакции, разделяя общую доступную энергию с электроном, именно поэтому энергия электронов была непредсказуемой. Ни электрон, ни нейтрино не существуют до распада. Кусочки головоломки начали складываться воедино. Но тут же второй эксперимент снова сбил физиков с толку…

Когда нейтрино было впервые обнаружено в середине 1950-х годов, физики только начинали понимать, что Солнце – это ядерная печь, вырабатывающая свою энергию посредством цепочек термоядерных реакций, называемых протон-протонным циклом или рр-циклом, в несколько этапов превращающим протоны в гелий[209]. Если теории о Солнце верны, огромное количество нейтрино должно вылетать прямо из Солнца почти со скоростью света, достигая Земли где-то через восемь минут[210].

У радиохимика из Брукхейвена Рэя Дэвиса была фора еще за год до первого нейтринного эксперимента Райнеса и Коуэна. Дэвис не искал вспышки света. Он проверял идею, выдвинутую другим теоретиком, Бруно Понтекорво, который предсказал, что нейтрино, взаимодействуя с атомом хлора, приведет к образованию радиоактивного атома аргона. Дэвис специализировался в области радиохимии: если кому и суждено было найти пару отдельных радиоактивных атомов аргона, так это ему.

Эксперимент Дэвиса по обнаружению нейтрино основывался на использовании огромных емкостей с жидкостью для химчистки – дешевой и легкодоступной, содержащей хлор. Он начал с 3800 литров и постепенно повышал емкость. Несмотря на свое преимущество, Дэвис упустил возможность первым обнаружить нейтрино, потому что ядерные реакторы – и бета – распад – на самом деле производят эквивалент частицы из антивещества, антинейтрино, которое и обнаружили Коуэн и Райнес[211]. Эксперимент Дэвиса, однако, был способен улавливать только «обычный» вид нейтрино. Хотя Коуэн и Райнес опередили его, со временем Дэвис переключил свое внимание на обнаружение нейтрино не от реакторов, а от Солнца. Это решение оказалось ключевым: физика нейтрино перестала рассматриваться как любопытный побочный эффект бета-распада и стала полноправной областью исследований физики элементарных частиц.

Дэвис сотрудничал с молодым физиком-теоретиком Джоном Бакалом, который провел сложные расчеты, чтобы предсказать скорость образования солнечных нейтрино. К 1964 году они опубликовали статьи со своими планами. Они были уверены, что смогут улавливать солнечные нейтрино, возможно, по 10 или 20 штук в неделю, но для этого потребуется эксперимент в 100 раз больший, чем их и без того огромная версия, – перспектива настолько амбициозная, что она попала в журнал Time еще до того, как была профинансирована.

В 1965 году в глубине шахты Хоумстейк в Южной Дакоте была вырыта огромная пещера. В ней команда Дэвиса и Бакала соорудила резервуар объемом 380 тысяч литров и наполнила его жидкостью для химчистки, привезенной на 10 железнодорожных вагонах. Благодаря невероятной настойчивости и тщательно проделанной химической работе этот титанический труд окупился. Собрав несколько десятков радиоактивных атомов аргона, Дэвис смог доказать существование солнечных нейтрино. Проблема заключалась в том, что он нашел только примерно треть от того числа нейтрино, которое предсказал Бакал. Они проверили расчеты, но не нашли никаких ошибок. Дэвис вернулся к работе и продолжал собирать данные еще почти 20 лет. Все это время загадка оставалась неразрешенной: наблюдалось странная нехватка солнечных нейтрино.

Проблема солнечных нейтрино поставила вопрос: были ли расчеты неверными? Неужели физики неправильно поняли, как Солнце вырабатывает энергию? Или же тут что-то не так с нейтрино? Неужели Солнце перестало вырабатывать энергию, и мы, напрямую зависящие от нее, в опасности? В конце концов на первый план вышла теория о том, что нейтрино превращались во что-то другое или исчезали между Солнцем и Землей. Идея, что нейтрино ведут себя таким довольно странным образом, была предложена Понтекорво еще в 1957 году[212], но долгое время не воспринималась всерьез. Именно этот вопрос побудил Арта Макдональда и около 100 других сотрудников построить Нейтринную обсерваторию в Садбери (SNO – Sudbury Neutrino Observatory).

Макдональд, родом из Новой Шотландии в Канаде, рано заинтересовался математикой и физикой, а затем получил докторскую степень по ядерной физике в Калтехе в 1969 году. Он оставил профессорскую должность в Принстоне, чтобы вернуться в Канаду в 1989 году и руководить SNO. Под его руководством SNO был построен на глубине более чем в 2 км под землей в никелевой шахте в Онтарио. Этот грандиозный эксперимент под управлением 100 коллег Макдональда проводился с 1999 по 2006 год. Такааки Кадзита провел аналогичный эксперимент под названием «Супер-Камиоканде» в цинковой шахте в Японии. Эти два опыта приведут к получению общей Нобелевской премии по физике в 2015 году.

SNO – это, по сути, огромное подземное стерильное помещение. К счастью, вы можете посетить его виртуально[213], избавив себя от неудобств реального посетителя или ученого, который должен принять душ, переодеться, а затем пройти через воздушный душ, чтобы грязь из шахты не попала в чувствительное оборудование. Внутри все кажется довольно аскетичным: просто голые останки шахты, превращенной в лабораторию. Диспетчерская состоит из пяти компьютерных мониторов на нескольких столах, расположенных рядом с несколькими стеллажами, забитыми оборудованием. Кабельные лотки и трубы уходят высоко вверх по стене. Если бы не порода, можно было бы забыть, что эксперимент проводится на глубине почти в 2000 метров под землей. Табличка на стене напоминает ученым: «Безопасность и качество. Всегда». Посетители могут виртуально пройти из диспетчерской по коридору и через помещение, полное оборудования. Затем они попадают к самому детектору.

Практически подвешенные внутри пустого детектора, вы чувствуете себя так, словно попали в вывернутый наизнанку зеркальный шар. Со всех сторон вас окружают 9600 фотоэлектронных умножителей золотистого цвета. Даже через экран компьютера калейдоскопическая красота гигантской – диаметром 12 метров – геодезической сферы захватывает дух. Мужчина, одетый в синий комбинезон и оранжевую каску и стоящий напротив, кажется почти карликом на фоне установки. Виртуальная экскурсия проводилась, когда детектор был пуст, но обычно все эти золотые детекторы должны были играть роль глаз, вглядывающихся в тысячи тонн тяжелой воды, позаимствованной у канадского парка ядерных реакторов, стоимостью в баснословные 300 млн канадских долларов.

Самая дикая идея оказалась правильной. Существует три типа нейтрино, и все они объясняются нейтринными осцилляциями: то есть нейтрино, рожденное как, скажем, электронное нейтрино, колеблется между своим исходным состоянием и двумя другими типами – мюонными нейтрино и тау-нейтрино. Эксперимент Дэвиса был чувствителен только к электронным нейтрино, поэтому солнечные нейтрино других типов оставались незамеченными, объясняя нехватку двух третей предсказанного количества. Первое доказательство этой идеи пришло от японского детектора Кадзиты «Супер-Камиоканде»[214] в 1998 году, состоящего из 50 000 тонн сверхчистой воды в резервуаре на глубине 1000 метров под землей, где 13 000 фотоэлектронных умножителей отслеживали вспышки света, возникающие непосредственно в результате взаимодействия нейтрино. Результаты Кадзиты подтвердили идею о том, что атмосферные нейтрино, создаваемые космическими лучами, в полете переходят из одного типа в другой. Это все еще не совсем решило проблему солнечных нейтрино, поскольку ученые не рассматривали нейтрино, исходящие от Солнца. Наконец, 18 июня 2001 года Арт Макдональд и команда SNO объявили, что их красивый детектор золотистого цвета продемонстрировал наличие нейтринных осцилляций, разгадав тайну пропавших солнечных нейтрино, которые Рэй Дэвис наблюдал почти пятьдесят лет назад.

После церемонии вручения Нобелевской премии в Стокгольме в 2015 году Макдональд посетил многие институты, которые сделали эту победу возможной. Среди них был Оксфорд, где он праздновал вместе со своими многочисленными коллегами в отделанной деревянными панелями столовой Мэнсфилд-колледжа. Хотя я не занимаюсь физикой нейтрино, мне посчастливилось присутствовать на этом мероприятии. Между основным блюдом и десертом Макдональд взял слово. «Никто не сталкивается с нейтрино в повседневной жизни, – сказал он. – Может быть, однажды нейтрино изменит один из ваших атомов, и вы даже не узнаете об этом». Теперь мы знаем, что нейтрино – это самая распространенная частица во Вселенной, которая нам известна. Десятки миллиардов из них проходят через вас каждую секунду, но их очень-очень трудно обнаружить. SNO – это невероятный пример того, на что физики элементарных частиц готовы пойти, чтобы понять такие неуловимые частицы, как нейтрино.

Благодаря экспериментам Макдональда и Кадзиты мы теперь знаем, что нейтрино могут менять тип с течением времени и расстояния. Все это кажется очень странным. Возможно, лучшая аналогия, которая описывает это явление, была предложена Эмили Коновер из Чикагского университета[215], которая сравнивала нейтрино с Золушкой, отправляющейся на бал в своей карете. Она начинает свой путь в чем-то, что определенно похоже на карету, но чем ближе она к дворцу, тем выше вероятность, что ее карета превратится в тыкву. В терминах квантовой механики мы можем сказать, что карета одновременно является и тыквой, и каретой, и все зависит от того, на каком участке траектории вы ее наблюдаете. Если бы Золушка путешествовала на электронном нейтрино, есть шанс, что к тому времени, когда она доберется до бала (или детектора), она окажется на мюонном или тау-нейтрино.

Эти осцилляции требует – с математической точки зрения, – чтобы у нейтрино была небольшая масса, но мы все еще не знаем, какое нейтрино самое тяжелое, и точно не знаем, какова масса каждого из них. У других частиц не наблюдаются осцилляции; по-видимому, это свойство характерно только нейтрино. Все, что мы знаем, – это то, что если сложить все три массы вместе, сумма будет все равно в миллион раз легче электрона. Мы не знаем, почему нейтрино такие легкие.

Нейтрино не участвуют в сильном или электромагнитном взаимодействии – только в слабом и гравитационном. С точки зрения нейтрино вещества вообще почти не существует, это всего лишь несколько электронов, вращающихся в пространстве. Из-за этого их очень трудно обнаружить, однако это также делает их ключевым инструментом для исследования слабого взаимодействия без помех со стороны электромагнитного и сильного взаимодействия. Со временем это понимание привело к созданию пучков нейтрино, приводимых в движение ускорителями частиц (пучки протонов создают пионы, которые затем распадаются на мюоны и нейтрино), и Нобелевской премии 1988 года Леона Ледермана, Джека Стейнбергера и Мелвина Шварца, которые первыми установили различия между электронными и мюонными нейтрино (третий тип, тау-нейтрино, был обнаружен в эксперименте 2000 года в Фермилабе).

Мы так и не выяснили, почему нейтрино не могут быть как левыми, так и правыми. Что мы знаем точно, так это то, что во Вселенной существует множество источников нейтрино. В 1987 году в результате многочисленных экспериментов были обнаружены нейтринные всплески сверхновой, что дало начало новой области нейтринной астрономии. В звезде фотоны света постоянно взаимодействуют, поглощаясь и переизлучаясь атомами. Фотонам может потребоваться 100 тысяч лет, чтобы добраться от ядра звезды до поверхности. Однако нейтрино беспрепятственно улетают в космос, позволяя нам заглянуть в сердце Солнца и сверхновых звезд, чего не могут другие частицы. За пределами нашей галактики в космосе создаются чрезвычайно высокоэнергетические частицы, и весьма вероятно, что нейтрино однажды станут посланниками, которые научат нас, как работают эти космические ускорители частиц. Возможно, мы даже сможем скопировать этот механизм в лабораториях на Земле.

Нейтрино образуются и гораздо ближе к нам. Бета-распад происходит также в недрах Земли, производя антинейтрино[216]. Детектор Борексино – эксперимент, предназначенный для поиска таких геонейтрино (наряду с солнечными нейтрино), – расположен в лаборатории в глубине горного массива в Гран-Сассо, Италия. Общими усилиями 100 физиков из Италии, Соединенных Штатов, Германии, России и Польши пытаются выяснить, какая часть тепла Земли приходится на радиогенное тепло, которое выделяется в недрах планеты в результате радиоактивного распада в основном таких элементов, как калий-40, торий-232 и уран-238. Найти ответ на этот вопрос невероятно важно для геологов, поскольку тепло управляет почти всеми динамическими процессами на Земле, от вулканов до землетрясений, и эти эксперименты дали толчок совершенно новой области исследований – нейтринной геофизике.

Помимо интересных новых областей науки и увлекательных вопросов, в настоящее время мы не имеем прямого применения нейтрино в нашей повседневной жизни. Когда я намеревалась писать о проекте «Полтергейст» и его последователях, я знала, что на этом этапе мне придется это признать. Но все же нейтрино настолько важны для общей истории физики элементарных частиц, что не написать о них было бы непростительно.

Нейтрино – классический пример исследований, движимых любопытством, которые, по-видимому, не имеют никакого практического применения. По сравнению с быстрым электроном, который взаимодействует с веществом посредством электромагнитной силы, или нейтроном, который взаимодействует с атомными ядрами посредством сильного ядерного взаимодействия, беззарядное и почти безмассовое нейтрино похоже на едва заметное облачко частицы, которая почти ни с чем не вступает в контакт. Тем не менее, оглядываясь на уже знакомые нам эксперименты, мы понимаем, что не всегда очевидно, какое применение найдет то или иное открытие.

Многие открытия, которые мы уже видели, были преждевременными по сравнению с технологиями того времени: поначалу синхротронное излучение не казалось полезным, как и электрон. Фотоэлектрический эффект использовался лишь отчасти на протяжении десятилетий. Ускорители частиц изобретались не для получения медицинских изотопов или лечения рака. Никто не ждал этих открытий с нетерпением, кроме физиков, которые их совершали, и даже тогда открытия не всегда были преднамеренными. Хотя вполне вероятно, что нейтрино никогда не будут столь же непосредственно полезны, как электроны, знания, которые мы почерпнули из них, важны, и – что кажется невероятным – в разработке есть несколько возможных применений.

На шахте Боулби на севере Англии Британия совместно с Соединенными Штатами в настоящее время проводит новый эксперимент под названием WATCHMAN (от англ. WATer CHerenkov Monitor of ANtineutrinos – Черенковский водный детектор антинейтрино)[217]. Проект будет использовать детектор нейтрино для дистанционного мониторинга ядерных реакторов путем обнаружения создаваемого этими реакторами потока нейтрино. Этот проект мог бы внести уникальный вклад в мировую безопасность, предоставив надежный способ проверить, соблюдаются ли договоры о нераспространении ядерного оружия. Поскольку нейтрино трудно остановить, скрыть действующий ядерный реактор от такого детектора не получится.

Нейтрино также могут косвенно помочь нам перейти от использования ископаемого топлива и ядерных реакторов деления к управляемому термоядерному синтезу, чтобы в будущем иметь обильный, безопасный и низкоуглеродный источник электричества. Термоядерные реакторы воссоздают ядерные реакции, подобные тем, которые происходят на Солнце, но не способные «выйти из-под контроля», однако для запуска подобных технологий мы должны быть абсолютно уверены в нашем понимании ядерной физики. Отчасти это понимание пришло из экспериментов с солнечными нейтрино Рэя Дэвиса, «Супер-Камиоканде» и SNO, которые доказали, что наша модель образования нейтрино на Солнце верна.

В будущем, возможно, найдутся прямые применения нейтрино и тем знаниям о них, которыми мы располагаем. Благодаря своей способности беспрепятственно преодолевать огромные космические расстояния почти со скоростью света, нейтрино могут даже однажды стать своего рода системой космической связи. Если на одной из тысяч открытых нами экзопланет существуют какие-то развитые цивилизации, то, вполне вероятно, они общаются друг с другом посредством нейтрино. Это больше похоже на научную фантастику, но в 2012 году нейтринный эксперимент под названием MINERvA (от англ. Main Injector Neutrino ExpeRiment to study v-A interactions – Эксперимент с нейтрино от главного инжектора для изучения v-A взаимодействий) в Фермилабе пытался это реализовать. С помощью протонного ускорителя двоичным кодом был закодирован пучок нейтрино, затем его отправили через полмили породы на детектор и успешно расшифровали[218]. Подобная технология может быть полезна и на Земле – например, для подводных лодок, сообщающихся через воду, которая искажает радиоволны. С помощью нейтрино можно общаться не только через воду, но и напрямую через центр Земли.

Справедливо будет сказать, что мы еще не готовы использовать нейтрино и, возможно, никогда не будем готовы. Мы не можем предсказать будущее, но что мы можем сказать о нейтрино, так это то, что результат нашего стремления их понять внес косвенный, но глубокий вклад в нашу жизнь. Мы уже видели, что SNO располагалась в глубокой подземной лаборатории в Канаде, которая теперь переименована в SNOLAB. И глубоко под землей – не просто метафора. Находясь на глубине 2100 метров, лаборатория расположена в 20 раз глубже, чем Большой адронный коллайдер, о котором мы поговорим позже. Давление воздуха увеличивается на 20 % по мере того, как вы совершаете шестиминутный спуск в лифте. Найджел Смит, исполнительный директор SNOLAB до 2021 года, сравнивает это путешествие со спуском в самолете, но только в окружении скал.

В подземной лаборатории работают не только физики, изучающие элементарные частицы. Само ее создание открыло возможности многим другим областям науки. Столь глубокое расположение под Землей предоставляет уникальную среду, потому что лаборатория имеет невероятно низкий уровень фонового излучения от космических лучей. Стабильный, чистый подземный объект с таким низким уровнем радиации позволил осуществить широкую исследовательскую программу, направленную на изучение воздействия низких уровней радиации на клетки и организмы. Ни одно наземное животное никогда не жило – или, если уж на то пошло, не эволюционировало – без воздействия фонового излучения космических лучей, а потому эти эксперименты помогают биологам понять, что будет, если это излучение убрать. Это исследование крайне важно, потому что может дать ответ на вопрос о том, всегда ли радиация вредна для клеток и организмов, всегда ли она наносит ущерб или существует какой-то пороговый уровень радиации, который безвреден или, возможно, даже полезен для жизни.

Это могло бы рассказать нам больше о том, влияют ли на эволюцию случайные мутации, вызванные радиацией. Пока результаты, по-видимому, указывают на то, что низкий уровень радиации действительно нужен[219]. Если дальнейшие эксперименты подтвердят эти данные, это будет иметь огромные последствия не только для людей и нашего взаимодействия с радиацией, но и для нашего понимания существования жизни в других частях космоса. Без глубоких подземных лабораторий мы просто не смогли бы провести такое исследование.

SNOLAB также является одним из лучших мест на (или в?) Земле для проведения экспериментов на квантовых компьютерах. Появляются доказательства того, что время декогеренции, то есть время, которое квантовый «бит» может хранить информацию до того, как ее потеряет, может быть ограничено естественным фоновым излучением на поверхности Земли. Возможно, в будущем потребуется запускать квантовые компьютеры под землей. На данный момент, по крайней мере, эти лаборатории предоставляют возможность проводить такие опытно-конструкторские работы.

Нейтрино называли призраком, вестником, космическим кораблем, сгустком пустоты. Начало его жизни было попыткой спасти основной закон физики, и со временем оно привело к огромным достижениям в астрономии, космологии, геологии и нашем самом фундаментальном понимании материи.

Теперь нейтрино – часть Стандартной модели физики элементарных частиц, но некоторые из их свойств – «левосторонность», наличие массы, изменение типа – показали нам, что должна существовать физика, выходящая за рамки Стандартной модели, которая, конечно же, вызывает бесчисленные вопросы. Почему у нейтрино есть масса? Являются ли нейтрино своей собственной античастицей? Одинаковы ли осцилляции нейтрино и антинейтрино, и если нет, то может ли это объяснить, почему мы видим во Вселенной больше вещества, чем антивещества? Оказывается, что нейтрино, каким бы крошечным оно ни было, во Вселенной в миллиард раз больше, чем материи, из которой состоят звезды, галактики и мы сами. Это повело экспериментаторов и теоретиков ко все большим высотам – или, скорее, глубинам, – чтобы разгадать его секреты. По иронии судьбы, доказав работоспособность одного основного закона, нейтрино теперь – один из богатейших источников пробелов в наших знаниях физики. Что еще раз подтверждает, сколь много нам предстоит узнать о Вселенной, частицах и силах.

Глава 10 Линейные ускорители: открытие кварков

Вдоль южного побережья Британии в море смотрит ряд гигантских бетонных тарелок, самая большая из которых представляет собой 60-метровую изогнутую стену. Издалека они выглядят как спутниковое или радиооборудование, но время этих технологий тогда еще не пришло. Построенные между 1915 и 1930 годами, эти тщательно продуманные сооружения представляют собой звуковые зеркала, обеспечивающие систему раннего предупреждения о приближении вражеских самолетов к берегу. Идея по своей сути оригинальная: использовать большие параболические тарелки для отражения звуковых волн в фокальную точку, где оператор прислушивается к шуму пропеллера самолета. Однако устройство оказалось довольно неэффективным, и вскоре на смену ему пришла новая техника.

К концу 1920-х годов радиопередатчики и приемники начали широко использоваться, а в 1935 году британский физик Роберт Уотсон-Уотт изобрел систему, которая могла отражать коротковолновые радиосигналы[220] от удаленных движущихся объектов, например кораблей или самолетов, и обнаруживать отраженные волны с помощью антенны, чтобы затем точно определить местоположение объекта. Физик назвал систему «Радиообнаружение и определение дальности», или радар (акроним от английского radio detection and ranging). К 1939 году, когда разразилась Вторая мировая война, вдоль южного и восточного побережий Британии была установлена вереница радиолокационных станций.

Радар значительно превосходил звуковые зеркала, но для полного раскрытия своего потенциала система нуждалась в трех ключевых улучшениях. Во-первых, радар должен работать на еще более короткой длине волны, чтобы иметь возможность обнаруживать небольшие объекты, такие как немецкие подводные лодки, которые регулярно атаковали и топили корабли. В принципе их можно было бы обнаружить высокочастотным радаром, если бы они всплыли. Во-вторых, система также нуждалась в гораздо более мощных радиопередатчиках, чем те, которые были доступны в то время, для покрытия более отдаленных областей. И в-третьих, требовалась радиолокационная система, которую можно было бы установить на истребителях, то есть намного меньше и легче существующих систем. Стремление улучшить радар во время войны привело к огромным достижениям в развитии технологий, от телекоммуникаций до лечения рака. В то же время физики усовершенствовали эти достижения в области радиолокационных технологий, чтобы совершить одно из самых непростых открытий в истории – обнаружить кварки.

На калифорнийском побережье выпускник факультета физики Стэнфордского университета Рассел Вариан и его младший брат, пилот Сигурд Вариан, жили в социал-теософском обществе под названием «Халцион», где работали над собственными идеями в области радиолокационной технологии. Они пытались создать лабораторию в обществе, но работать в изоляции было довольно трудно. В 1937 году братья решили, что им стоит более тесно сотрудничать с Биллом Хансеном, с которым Рассел делил комнату в аспирантуре. Хансен отлично разбирался в радиоволнах. Вместе они заключили сделку с университетом, согласно которой молодые ученые не будут получать никакой зарплаты, но им будет выделяться бюджет в 100 долларов, а сам университет получит половину прибыли от всего, что будет запатентовано в ходе данного предприятия.

Хансен вырос в Калифорнии и с самого раннего возраста интересовался механическими и электрическими игрушками. Выдающийся ученик, особенно в математике, он окончил среднюю школу в четырнадцать лет и два года спустя поступил в Стэнфорд, где сначала изучал инженерное дело, а затем – экспериментальную физику. В аспирантуре Хансен работал над атомной физикой, где и познакомился с коллегой-аспирантом Расселом Варианом. Самого Рассела часто недооценивали из-за его дислексии. К этому времени интерес Хансена заключался не только в генерации радиоволн: он хотел создать ускоритель частиц для электронов.

Хансену пришла в голову идея сконструировать металлическую полость нужных размеров таким образом, чтобы внутри нее могли резонировать электромагнитные волны. Тогда он мог бы послать пучок электронов и использовать электромагнитные волны, колеблющиеся внутри, для ускорения луча. Он назвал свое устройство румбатроном из-за того, как отражались волны. Однако Хансен столкнулся с той же проблемой, что и первооткрыватели радара: ему нужен был источник радиочастотной энергии с длиной волны короче, чем у любого существующего источника.

Хансену и братьям Вариан потребовалось 12 месяцев, чтобы изобрести устройство под названием клистрон. Внутри цилиндрического устройства размером с консервную банку радиосигнал малой мощности подавался на электронный луч, который проходил через ряд полостей, как и предполагал Хансен. Устройство не ускоряло электроны – вместо этого благодаря комбинации резонатора и проходящих электронов создавался резонанс и испускались электромагнитные волны. Результатом было то, что небольшой входной сигнал усиливался энергией электронного пучка, создавая мощные микроволны в диапазоне частот ГГц. Слово «микроволна» не означает, что длина волны крошечная: на самом деле длина волны составляет около 10 см, что примерно в 200 тысяч раз больше, чем видимый свет, который могут воспринимать наши глаза. Это название было принято потому, что производимые волны были короче привычных радиоволн. Эта коротковолновость означала, что клистрон сам по себе маленький и легкий: он весил всего несколько килограммов.

Клистрон еще не был достаточно мощным, чтобы его можно было использовать для радиолокации, но все же это был огромный шаг вперед – первое устройство, работающее в микроволновом диапазоне, к тому же эффективно и стабильно[221]. По крайней мере, Хансену и братьям Вариан казалось, что это первое устройство такого рода, поскольку они не знали о схожем изобретении в Великобритании.

12 сентября 1940 года сверхсекретная делегация из шести человек, в том числе Джон Кокрофт, прибыла в Вашингтон с тем, что американские историки назвали «самым ценным грузом, когда-либо доставленным к нашим берегам»[222]. Они несли жестяной сундук, в котором находилось небольшое медное устройство, а также ряд документов, описывающих ряд других британских изобретений. Соединенные Штаты на тот момент все еще были нейтральной территорией, и план[223] состоял в том, что Великобритания просто передаст эти секреты в обмен на ресурсы для разработки и производства.

Медное устройство внутри сундука было изготовлено физиками Джоном Рэндаллом и Гарри Бутом в Бирмингемском университете в 1939 году. Их изобретение[224], резонансный магнетрон, представляет собой цилиндрический медный блок с большим центральным отверстием, окруженным другими, более маленькими отверстиями, как лепестками цветка. Электроны циркулируют внутри центрального отверстия устройства под воздействием магнита, и когда они проходят мимо «лепестков» или резонаторов, то создают резонанс, который производит электромагнитные волны. Чем меньше устройство, тем более высокочастотные волны оно создает: это устройство работало на частоте 3 ГГц, что очень похоже на частоту клистрона.

Британцы признали перспективность резонансного магнетрона, поэтому держали устройство в секрете, но им не хватало мощностей для разработки технологии в больших масштабах. Связи с усилением немецких бомбардировок было решено поделиться сверхсекретной технологией с США в обмен на помощь. США поначалу неохотно вступили в переговоры, но в конечном итоге поделились собственными разработками прототипов радаров, которые, по их признанию, зашли в тупик. Им требовалось большая мощность передатчика. Когда Джон Кокрофт и его коллеги раскрыли тайну резонансного магнетрона, решение было найдено: его выходная мощность в тысячу раз превышала мощность клистрона. В результате правительство США профинансировало тайное создание Радиационной лаборатории[225] физиками из Массачусетского технологического института, где были собраны воедино множество теорий и компонентов, необходимых для работы высокочастотного радара, – и все это с использованием магнетронной технологии. В то время единственными людьми, имевшими опыт в области высокочастотных технологий, были физики ускорителей, и вскоре они принялись за работу, доводя магнетроны до все большей и большей выходной мощности. Билл Хансен регулярно посещал Массачусетский технологический институт для обучения физиков. На пике развития Радиационной лаборатории в ней работало 4000 человек, и именно там была разработана половина всех радиолокационных систем, использовавшихся во время войны.

Компании начали производить магнетроны в больших масштабах, и Массачусетский технологический институт выбрал местную электронную компанию Raytheon для помощи в разработке. Вскоре такие крупные игроки, как General Electric и Westinghouse, тоже начали производить магнетроны, наряду с более мелкими компаниями вроде Litton Industries, занимавшейся производством вакуумных ламп где-то на промышленных задворках Сан-Франциско, которая помогла братьям Вариан построить первые клистроны.

К 1945 году одна из этих компаний, Raytheon, производила 17 магнетронов в день для Министерства обороны. Однажды один из инженеров, Перси Спенсер, заметил, что, когда он стоял перед магнетроном, у него в кармане растаяла плитка шоколада. Он решил попробовать использовать магнетрон для приготовления пищи, сначала попкорна, который имел оглушительный успех, а затем других продуктов, которые, как он обнаружил, быстро нагревались в металлическом контейнере. Raytheon получила патент на первую микроволновую печь, и ее первая коммерческая версия, Radarange, была примерно 243 см высотой и стоила 5000 долларов. Со временем более компактные и дешевые микроволновые печи, работающие на магнетронах, стали повседневной бытовой техникой, которую мы используем и по сей день. Довольно неожиданный спин-офф радара, но далеко не единственный.

Статья в журнале Saturday Evening Post[226] от 8 февраля 1942 года возликовала: «Клистронный луч еще удивительнее, чем мечтали его изобретатели». В статье говорилось об инженерах по телефонной связи, использующих волны от клистронов для одновременной передачи 600 тысяч разговоров по всей стране, и инженерах по телекоммуникациям, делающих то же самое с изображениями. Их военное применение заключалось не только в обнаружении вражеских самолетов или кораблей: «Направленный вниз с авиалайнера клистронный луч сообщает пилоту, как высоко он летит над землей. Направленный вперед, он вовремя предупреждает пилота о приближающихся горах, чтобы тот мог изменить курс полета».

Клистрон был лицензирован компанией Sperry Gyroscope для коммерческого и военного применения, включая радар, и Рассел и Сигурд Вариан временно переехали на Лонг-Айленд, чтобы работать над этими засекреченными проектами. К 1948 году братья Вариан осознали коммерческий потенциал телевизионного вещания и телекоммуникаций, поэтому они покинули Sperry Gyroscope и вернулись в Калифорнию, где основали компанию Varian Associates[227], производящую клистроны для этих быстро развивающихся рынков.

Главным пользователем магнетронов были британские военные, и в 1953 году был написан отчет, в котором оценивалось качество различных производителей магнетронов в Европе и США. К удивлению GE, Raytheon и Westinghouse, на первом месте оказалась компания Litton Industries. Как, спрашивали себя крупные компании, удалось этой маленькой фирме превзойти их? Litton смогли начать производить магнетроны для радиолокационных систем, потому что у них было ноу-хау в производстве вакуумных ламп, но это никак не отличало их от прочих компаний. Чем обусловлено их преимущество? Все объяснилось их связью с Биллом Хансеном, клистроном и его стремлением создавать ускорители частиц.

Стэнфордская группа не смогла бы построить первые клистроны без сотрудничества с Litton Industries. Компания поставляла компоненты стэнфордской группе и обсуждала их производственные процессы. Именно из этого опыта компания узнала, например, о важности высокого вакуума для создания стабильных устройств высокой мощности. Они знали, как обеспечить контроль качества, чтобы их устройства поддерживали высокий вакуум и чтобы все компоненты оставались чистыми во время производства. Именно этот коммерческий секрет привел их к успеху в создании магнетронов.

Под руководством компаний Litton и Varian в Стэнфордском индустриальном парке начали появляться другие высокотехнологичные компании. Varian и их местные конкуренты привлекли внимание людей, желающих работать в высококвалифицированных технических областях. В течение 10 лет после основания Varian Associates заняла несколько крупных зданий, в которых работало более 1300 человек, с годовым объемом продаж в 20 млн долл.[228] В этот район продолжали прибывать тысячи людей, желающих работать в развивающихся компаниях, производящих микроволновые устройства и вакуумные лампы, или попытать счастья, открыв собственный бизнес по продаже специализированных материалов, высокоточной обработке и предоставлению других услуг. То, что когда-то было захолустьем, стало самым известным технологическим центром в мире – Кремниевой долиной.

Развитие Кремниевой долины и ее роль в совершенствовании технологий – это сложная история, однако именно эти компании создали ту промышленную инфраструктуру, которая сделала это развитие возможным. Именно эта концентрация высокотехнологичных навыков подготовила благодатную почву, на которой выросла полупроводниковая промышленность в конце 1950-х и 1960-х годах[229]. А совсем неподалеку, в Стэнфордском университете, это также позволило совершить одно из крупнейших открытий века в физике.

Вместо подачи высокого напряжения, как во времена Кокрофта и Уолтона, Хансен планировал пропускать частицы через радиочастотные резонаторы, чтобы они получали энергию. Он спроектировал систему в виде серии точно обработанных медных резонаторов с отверстием для прохождения луча – ускоряющих резонаторов. Чтобы генерировать электромагнитные волны, они должны были питаться от клистрона, который был выбран отчасти потому, что создатель системы участвовал в его изобретении. Внутри ускоряющих резонаторов эти волны должны были колебаться таким образом, чтобы электрическое поле давало толчок вперед, заставляя частицы двигаться быстрее. Ученый знал, что если бы он мог перепроектировать клистрон так, чтобы он выдавал достаточно высокую радиочастотную мощность, то толчок вперед и энергия, которую частица получит при прохождении через ускоряющие резонаторы, были бы существенными. Линейные ускорители электронов теперь потенциально могут быть компактными и эффективными благодаря новым радиочастотным источникам питания.

Хансен собрал команду в Стэнфорде, включая Эда Гинзтона и Марвина Чодороу, и к 1947 году они построили свой первый ускоритель на 6 Мэ В. В отчете финансирующему органу было всего три слова: «Мы ускорили электроны». Линейный ускоритель, или LINAC (акроним от англ. LINear ACcelerator), был намного меньше и легче существующих ускорителей. Незадолго до этого команда под руководством Луиса Альвареса из Беркли построила низкочастотный протонный ускоритель и с гордостью сфотографировала свою команду: на фото около 30 человек сидели бок о бок на своей (сравнительно огромной) машине. Когда Хансен узнал об этой фотографии, он схватил трех своих аспирантов и встал рядом с ними, с новым высокочастотным ускорителем электронов в одной руке. Длина ускорителя составляла менее двух метров: маленький, легкий, эффективный, почти образ будущего. Исследования Хансена и других ученых включали двусторонний поток инноваций: физики изобрели новые устройства – магнетрон и клистрон, которые нашли крупномасштабное применение в радарах, а затем индустриализация этих устройств помогла физикам реализовать собственные экспериментальные амбиции.

Хансен мечтал о гораздо более крупной машине: ускорителе электронов на миллиард вольт, который можно было бы использовать для исследования сил в ядре. В то же время планировались Космотрон и Беватрон – стремление строить большие ускорители достигло апогея. Хансен нанял около 30 аспирантов и 35 техников для работы над новым устройством. Они построили серию прототипов, начиная с их оригинального Mark I на 6 МэВ, а затем Mark II на 33 МэВ в 1949 году. Но, к сожалению, Хансен так и не увидел завершения своего проекта, потому что ему становилось все хуже из-за хронического заболевания легких. Он скончался в 1949 году, как раз перед началом эксплуатации Mark II. Это стало шоком для всех, в том числе и для его команды. Гинзтон говорил: «Было непонятно, как можно достроить машину на миллиард вольт без него»[230].

Все эти инновации произошли до того, как теоретические разработки 1950-х годов дали физикам более глубокое понимание взаимодействий между частицами и фундаментальными силами. В главе 8 мы видели, как создавались большие лаборатории для создания огромных протонных синхротронов для изучения пионов и странных частиц. Примерно в тот период разрабатывалась новая технология LINAC для электронов, которая поначалу, казалось, имела мало общего с пониманием сильного взаимодействия и новых частиц. Но со временем все изменилось.

Как только Мюррей Гелл-Манн упорядочил длинный список частиц «Восьмеричным способом», стало ясно, что странные частицы гораздо больше похожи на протоны и нейтроны, чем на электроны или фотоны. Чтобы по-настоящему понять странные частицы, необходимо было понять сильное ядерное взаимодействие. Помочь с этим могли большие протонные синхротроны, но проблема данного подхода в том, что сильное взаимодействие свойственно и протонам, что делает практически невозможным изоляцию сильного взаимодействия странных частиц от сильного взаимодействия протонов.

Это был ключевой момент обсуждения 20 или около того физиков и инженеров из Стэнфорда, которых пригласили в дом немецко-американского физика В. К. «Пифа» Панофски в Лос-Альтос-Хиллз 10 апреля 1956. Когда они прибыли, им сказали, что все они могут стать волонтерами в новом неназванном проекте, который не имел финансирования. Перспектива несанкционированного эксперимента возбудила их любопытство, поэтому они остались. Идея исследования свойств сильного взаимодействия в протонах и нейтронах с помощью электронов появилась именно потому, что электроны взаимодействуют через электромагнитную силу, а не через сильное ядерное взаимодействие: они могли бы использовать электроны в качестве зонда, чтобы лучше понять сильное взаимодействие.

Помогло то, что электроны уже были хорошо изучены. В 1950х годах Ричард Фейнман, среди прочих, создал теоретическую основу квантовой электродинамики, или КЭД, – способ расчета взаимодействий частиц, основанный на наборе правил, которые сделали вычисления удобными. Этот метод работал для фотонов, электронов и мюонов, их соответствующих античастиц и даже для нейтрино. Однако он не применялся ни к странным частицам, ни к протонам и нейтронам. Физики предположили, что если бы они создали ускоритель электронов и бомбардировали материалы, богатые протонами и нейтронами, то могли бы отделить данные о взаимодействиях, которые они могли рассчитать (используя КЭД), от тех, которые не могли. Таким образом, они, возможно, смогли бы выделить сильные взаимодействия, которые их интересовали. Они подсчитали энергию, которая потребуется, и получилось число, в 20 раз превышающее мечту Хансена об 1 ГэВ[231]. Существовала только одна технология, которая могла производить нужный луч, и над ней уже работали: LINAC.

В LINAC луч не изгибается, поэтому электроны не теряют энергию из-за синхротронного излучения (см. главу 7). Для получения достаточных данных требовалось как можно больше электронов, и LINAC сделал возможными такие интенсивные пучки, потому что не было необходимости ждать ускорения одной партии частиц до запуска новой: в машине мог идти непрерывный поток частиц, ускоренных по прямой линии. Для этого нужны мощные радиочастотные источники – клистроны, но при достаточно длинном ускорителе все могло сработать. К счастью, технология продолжала развиваться со времен первой версии Хансена на 6 Мэ В. Команда достигла 400 МэВ в 1953 году, и к тому времени, когда на совещании в Лос-Альтосе была предложена цель в 20 ГэВ, ускоритель Mark III приближался к первоначальной цели в 1 Гэ В.

Конечно, такому амбициозному новому проекту требовалось название, а учитывая чудовищные размеры ускорителя – его длина составляла около двух миль, – ученые приняли название «Проект М». Технически буква М ничего не означала, но между собой физики расшифровывали ее как «монстр», что соответствовало масштабу проекта. На серии еженедельных встреч в течение следующего года они обсуждали идеи для линейного ускорителя мощностью 20 ГэВ, который будет расположен в кампусе Стэнфорда в Менло-Парке. Команда описала свою задумку в 100-страничном документе и направила запрос на сумму 114 млн долл. трем различным федеральным агентствам.

Эд Гинзтон, давний коллега Хансена и один из основателей компании Varian, руководил разработкой дизайна. В течение пяти лет команда преодолевала ряд сложных политических препятствий, пока им наконец не выделили деньги в 1961 году. Центр Стэнфордского линейного ускорителя, известный как SLAC (от англ. Stanford Linear Accelerator Centre), наконец-то начал работу. Стэнфордский университет сохранил за собой руководство проектом, открыв при этом доступ ученым из любой точки мира. Университет пожертвовал землю, а Министерство энергетики взяло на себя оплату счетов. Теперь все сошлось воедино: продукт правильных людей, правильных технологий и правильного местоположения – и все это объединялось вокруг общей цели.

С момента публикации проекта в 1957 году до включения луча в 1966 году были сделаны дальнейшие теоретические разработки, которые помогли создать мощную движущую силу экспериментальной программы SLAC. В 1964 году «Восьмеричный путь» был усовершенствован в более сложную кварковую модель, предложенную независимо Гелл-Манном и Цвейгом. Протоны, нейтроны, пионы, каоны и другие тяжелые частицы вовсе не были фундаментальными частицами, а состояли из трех типов кварков: верхнего, нижнего и странного, каждый из которых имел определенный спин и электрический заряд[232]. Но в теории был один чрезвычайно тревожный результат: предполагалось, что у кварков не целый, а дробный электрический заряд.

В природе никогда не встречалось ничего подобного. Как у этих новых частиц может быть электрический заряд +2/3 или –1/3? Даже Гелл-Манн не был уверен, действительно ли кварки существуют или это просто изящный математический прием, который случайно сработал. Если эти странные «нецелые» кварки – строительные блоки атомов и если, в свою очередь, кварки действительно составляют протоны и нейтроны в ядре, должна быть возможность их создать и измерить их свойства. Поиск кварков стал следующей большой экспериментальной задачей.

Экспериментаторы ЦЕРНа быстро поняли, что частицы с зарядом 1/3 и 2/3 должны оставлять характерные треки в пузырьковой камере – следы, которые могли пропустить в более ранних экспериментах. Две группы просмотрели 100 тысяч фотографий пузырьковой камеры из предыдущих экспериментов, но не нашли свидетельств дробно заряженных частиц. Ученые попытались найти кварки, используя протонный синхротрон и пузырьковую камеру, но ничего не добились. Кварки либо имели массу, превышающую ту, которую они могли создать, либо их не существовало. Либо происходило нечто иное.

Ускоритель на 20 ГэВ появился на свет в 1966 году, задействовав несколько тысяч человек из Стэнфорда и других стран и компаний, а поиск кварков стал приоритетом номер один. Тогда же родилось сотрудничество SLAC с Массачусетским технологическим институтом, в котором участвовали, в частности, Генри Кендалл, Ричард Тейлор и Джером Фридман. Сторону SLAC возглавляли Кендалл и Тейлор. Кендалл, любитель активного отдыха, – физик родом из Бостона, а Тейлор, известный своим остроумием и юмором, – из канадской провинции Альберта. Фридман, художественно одаренный сын еврейских русских иммигрантов, представляющий Массачусетский технологический институт, был родом из Чикаго. Фридман ездил на работу в Калифорнию, где встречался с Кендаллом и Тейлором.

Замышляемый ими эксперимент напоминал тот, который мы уже видели, когда Гейгер и Марсден отражали альфа-частицы от золотой фольги, выясняя, есть ли у атома ядро. Чтобы узнать, есть ли у протонов и нейтронов подструктура, охотники за кварками конца 1960-х годов решили использовать почти такой же метод. Электроны с энергией 20 ГэВ могли проникнуть глубоко внутрь протонов и нейтронов. Если внутри есть какие-либо кварки, электроны разлетятся в результате столкновения, а их углы и энергии можно будет использовать для восстановления того, с чем они взаимодействовали[233].

Если вы сегодня поедете по межштатной автомагистрали 280, на полпути между Сан-Франциско и Сан-Хосе вы проедете прямо по двухмильному ускорителю. Когда его строили, туннель, в котором находится ускоритель, считался самым длинным зданием в Соединенных Штатах[234]. Внутри располагается клистронная галерея, полная мощных радиочастотных устройств, изобретенных Хансеном и братьями Вариан. Генерируемая ими энергия передается на несколько метров под землей в точно обработанные медные резонаторы, из которых состоит линейный ускоритель электронов. Внутри электроны разгоняются на волнах, пока не достигнут 20 ГэВ[235], двигаясь со скоростью 99,9999999 % от скорости света.

Когда в конце 1960-х годов все было готово, в конце ускорителя электронные пучки изгибались и направлялись по трем линиям в два экспериментальных зала, где они попадали – или, точнее, рассеивались – в мишень, сделанную из жидкого водорода, богатого протонами. Затем рассеянные электроны проходили через устройство, называемое магнитным спектрометром, которое измеряло энергию электронов, изгибая их в магнитном поле. Спектрометр был самым большим научным прибором своего времени, длиной 50 метров и весом 3000 тонн. При этом он был подвижен и установлен так, чтобы поворачиваться вокруг цели и проводить измерения под разными углами.

В 1967 году Кендалл, Тейлор и Фридман начали проводить эксперименты с большим спектрометром и двумя поменьше. Что они ожидали увидеть? Несмотря на амбиции найти кварки, большинство физиков все же считали, что их не существует и что протон и нейтрон имеют своего рода мягкую внутреннюю структуру. Ожидалось, что меньше электронов будет рассеиваться по мере увеличения угла наклона спектрометра. Любое отклонение от этого может указывать на наличие кварков – или чего-то еще – внутри. В ходе эксперимента были собраны данные для создания распределения вероятностей, и команда принялась внимательно изучать результаты и их интерпретировать.

Ожидания и результаты эксперимента расходились невероятным образом[236]. Сначала было не совсем ясно, что результаты свидетельствуют о наличии кварков, но, похоже, они правда свидетельствовали о какой-то структуре внутри протона. Теоретики, включая Ричарда Фейнмана и Джеймса Бьёркена, для описания найденных сущностей придумали название «партоны». Во многом все происходящее напоминало эксперимент с золотой фольгой, только на этот раз физики проникли еще глубже в сердце материи: протоны не были фундаментальными частицами, и результаты, казалось, доказывали, что партоны – предположительно, тип частиц – были похожи на точки, точечноподобны. Что значит «точечноподобна» в отношении частицы? Так же, как и в случае с электроном, это означает, что частица настолько мала, что ее невозможно измерить. Как позже вспоминал Джером Фридман, «это была очень странная точка зрения. Она настолько отличалась от того, что предполагалось в то время, что мы не хотели обсуждать результаты публично»[237].

В течение следующих нескольких лет Фридман, Кендалл и Тейлор продолжали собирать данные под разными углами спектрометра и провели второй раунд экспериментов с использованием жидкой дейтериевой мишени для сбора сравнительных данных для нейтрона[238]. Имея достаточно доказательств, они могли быть уверенными в своих результатах: партоны действительно были кварками, точечноподобными объектами, образующими структуру протонов и нейтронов. Теперь мы можем сказать, что протон состоит из трех кварков, двух верхних и одного нижнего, а нейтрон – из одного верхнего и двух нижних. Последним кусочком головоломки было подтверждение идеи о том, что кварки обладают дробными электрическими зарядами. Сравнили рассеяние электронов с аналогичными данными из ЦЕРНа, где использовали (электрически нейтральные) нейтрино, которые дали физикам информацию об электрических зарядах, участвующих во взаимодействии. У кварков правда дробные заряды.

Дальнейший анализ данных выявил еще более необычную информацию о протонах и нейтронах, чем тот факт, что внутри них были кварки. Каждый протон или нейтрон состоит примерно из равных частей кварков и нейтральных глюонов – безмассовых частиц и переносчиков сильной взимодействия, которые «склеивают»[239] кварки вместе, – это во многом похоже на то, как фотон переносит электромагнитную силу. Три основных кварка в протоне и нейтроне называются валентными кварками. Вокруг них – «море» кварк-антикварковых пар, которое также обнаружилось в данных, полученных в результате рассеяния при низких энергиях. Протон и нейтрон следует рассматривать полностью с точки зрения как массы, так и взаимодействий, включая как морские кварки – верхние, нижние и странные пары «кварк – антикварк», – так и валентные кварки.

В 1970-х годах физики начали понимать необычные свойства сильного взаимодействия, которое связывает кварки вместе. Оно относительно слабо на коротких расстояниях, но чрезвычайно сильно на больших, словно эластичная лента, удерживающая кварки вместе. Когда кварки находятся рядом друг с другом, они могут двигаться с относительной свободой, но стоит их разлучить, как против вас восстанет свойство, называемое конфайнментом (удержанием). Оно удерживает кварки внутри протона и нейтрона до такой степени, что если вы попытаетесь разделить их, то вложенная вами энергия просто создаст новую пару «кварк – антикварк». Странным результатом этого становится то, что мы попросту не можем наблюдать кварки поодиночке. Вот почему Кендалл, Тейлор и Фридман добились успеха там, где другие не смогли: они нашли способ наблюдать кварки в их замкнутом состоянии внутри протонов и нейтронов.

Сильное взаимодействие также отвечает за удержание нейтронов и протонов внутри атомного ядра, причем неявным образом. На больших расстояниях его часто называют остаточным сильным взаимодействием. Подробное описание того, как именно взаимодействуют кварки, изложено в теории, называемой квантовой хромодинамикой, или КХД, которая помогает понять, как удерживается атомное ядро.

Согласно КХД, кварки несут заряд (аналогичный электрическому заряду), называемый цветовым зарядом. Всего их три типа: красный, зеленый и синий, хотя они не имеют никакого отношения к привычному пониманию цвета. Цветовой заряд антикварков, соответственно, антикрасный, антизеленый и антисиний. И когда кварки объединяются в частицы, наложение их цветов делает частицу «бесцветной». Синий, красный и зеленый в сочетании бесцветны, поэтому, если кварки внутри протона синие, красные и зеленые, эта частица, следовательно, «разрешена». Пион состоит из кварка и либо верхнего, либо нижнего антикварка, в синем и антисинем, красном и антикрасном или зеленом и антизеленом сочетании.

Протоны и нейтроны внутри ядра в целом бесцветны, но кварки внутри них оставляют небольшой остаточный эффект сильного взаимодействия, которое каким-то чудесным образом удерживает их вместе. Все это кажется незначительной деталью, но на самом деле не так тривиально: без остаточного сильного взаимодействия ядра атомов были бы нестабильны, и материя в том виде, в каком мы ее знаем, не существовала бы.

Чтобы это выяснить, ушло некоторое время, но что совершенно ясно после экспериментов Фридмана, Кендалла и Тейлора, так это то, что кварки правда существуют[240]. Дни, когда протоны и нейтроны считались фундаментальными строительными блоками атомов, прошли.

Открытие кварков стало возможным благодаря линейному ускорителю, который сам по себе родился благодаря клистронам и магнетронам, а они, в свою очередь, были созданы для обеспечения мощной радиолокационной технологии. Хансен и братья Вариан не могли и предположить конечный результат своих исследований. Взаимосвязи между фундаментальной и прикладной наукой, промышленностью и открытиями обычно представляют собой отдельные истории, рассказанные учеными и предпринимателями. Истории об открытиях мы узнаём от физиков, а об инновациях и коммерческом успехе – от предпринимателей, но почему-то забываем о существующем между ними симбиозе. Как мы видим, он может привести к непредсказуемым результатам, и эта история не ограничивается кварками.

Когда мы в последний раз встречались с братьями Вариан, они основали свою компанию в том месте, которое впоследствии станет Кремниевой долиной. Вскоре они начали продавать электронные LINAC, чье применение не ограничивалось физикой, и линейные ускорители принесли небывалые изменения в медицину, безопасность и промышленность. Сегодня название Varian почти синонимично технологиям линейных ускорителей, и продукт, который может понадобиться каждому восьмому жителю планеты, – это аппарат для лучевой терапии LINAC.

В 1954 году врач Генри Каплан услышал о разработке ускорителей в Стэнфорде и отправился туда с целью создать устройство для лечения рака[241]. Во время обеда Каплан обсудил свой план с Эдом Гинзтоном, и их активное сотрудничество привело к разработке первого медицинского линейного ускорителя в Соединенных Штатах. Электронная машина с энергией 6 МэВ была впервые использована в 1956 году в Стэнфорде в лечении двухлетнего мальчика с опухолью глаза. Пациент был выписан уже без опухоли, зрение сохранилось. Каплан настаивал на обучении радиологов новому типу терапии, и спрос на ускорители в больницах начал расти.

Каплан и Гинзтон убедили Varian Associates пустить клинические ускорители в производство. Со временем аппарат на 6 МэВ стал еще компактнее, теперь его можно было поворачивать на 360 градусов вокруг пациентов, чтобы лечить их под любым углом. С этого момента рентгенотерапия стала предпочтительным методом лечения, а LINAC – средством для его применения. К тому времени, когда протоны и более тяжелые частицы начали использоваться в медицине, эта форма лучевой терапии уже считалась золотым стандартом (см. главу 8)[242].

Сегодня примерно половина всех случаев рака лечится с помощью лучевой терапии (остальные лечатся хирургическим путем и химиотерапией). Чаще используют электроны и рентгеновские лучи, чем протоны или ионы, отчасти потому, что технология намного меньше и дешевле. Современный медицинский линейный ускоритель размещается в подвале больницы в защищенном от радиации помещении с бетонными стенами метровой толщины. Для пациента система выглядит почти так же, как центр протонной терапии, описанный в главе 9, за исключением того, что на этот раз все оборудование находится прямо внутри процедурного кабинета. В центре комнаты кровать, на которой лежит пациент, а над ней – метровый ускоритель частиц, который разгоняет электроны примерно до 25 МэВ, а затем направляет их на металлическую мишень. Когда электроны в металле замедляются, они испускают рентгеновские лучи, точно так же, как в электронно-лучевых трубках, с которыми мы познакомились в главе 1. При лучевой терапии пучку рентгеновских лучей придается особая форма с помощью сложной системы коллимации, которая поглощает часть рентгеновских лучей, создавая теневой узор в соответствии с планом лечения. После придания рентгеновским лучам соответствующей формы они направляются к пациенту.

Varian – один из двух основных игроков, которые сегодня доминируют на рынке медицинских ускорителей. Другой – компания Elekta, созданная Ларсом Лекселлом в 1972 году в Швеции на базе точного радиохирургического оборудования «Гамма-нож». В то время как машины Varian в основном используют клистроны собственного изобретения, технология Elekta обычно использует магнетроны. Обе компании активно сотрудничают с университетскими группами и постоянно внедряют инновации для совершенствования аппаратуры и достижения наилучших клинических результатов.

Во всем мире используется более 12 000 таких медицинских ускорителей. Эти машины служат напоминанием о том, что экспериментальные технологии используются не только для физики элементарных частиц, но и для спасения жизней миллионов людей. На самом деле 12 000 ускорителей далеко не достаточно. При нынешних показателях заболеваемости раком на каждые 200 тысяч человек требуется один аппарат, и хотя страны с высоким уровнем дохода способны обеспечить нужное количество аппаратуры, в государствах, отнесенных Всемирным банком к странам с низким и средним уровнем дохода, не хватает около 5000 аппаратов. В 35 странах Африки к югу от Сахары в настоящее время нет вообще никакой технологии для лучевой терапии.

Во всем мире заболеваемость раком растет в результате того, что люди живут дольше, и больше всего этот рост приходится на страны с низким и средним уровнем дохода. По оценкам, к 2035 году ежегодно будет диагностироваться рак у примерно 35 миллионов человек, и 65–70 % процентов всех случаев – в странах с низким и средним уровнем дохода. Применяются огромные усилия по искоренению других заболеваний и увеличению продолжительности жизни, однако вероятность того, что у человека будет диагностирован рак, повышается с возрастом. Медицинские учреждения достаточно продвинуты во многих странах, чтобы диагностировать онкологию, а доступность образования гарантирует то, что люди достаточно хорошо знают признаки рака, чтобы вовремя обратиться к врачу.

К 2035 году потребуется дополнительно 12 600 аппаратов, а также десятки тысяч онкологов, радиологов, медицинских физиков и других специалистов. Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) проводит огромную работу для решения этой проблемы, но растущая потребность в оборудовании опережает темпы производства и ввода в эксплуатацию новых установок для лучевой терапии.

В 2016 году в ЦЕРНе было созвано совещание для обсуждения этого оборудования, в котором приняли участие международные эксперты в области ускорителей и глобального здравоохранения, а также врачи из Нигерии, Ботсваны, Ганы, Танзании, Зимбабве и других стран Африки к югу от Сахары. Эксперты провели три дня, слушая и задавая вопросы, пытаясь понять, что не так и что необходимо изменить. Я была одним из таких экспертов, и как только мои глаза открылись на столь глобальную проблему, закрыть их уже было нельзя.

Даже если больница может позволить себе необходимую аппаратуру, на техническое обслуживание за год уйдет примерно столько же, сколько на выплату зарплаты двадцати пяти штатным инженерам. Доставка запасных частей занимает много времени, и даже тогда они могут застрять на таможне на месяцы. Каждый день простоя ускорителя означает, что около 50 тысяч пациентов остаются без лечения. Это самые распространенные ускорители частиц в мире, но мы поняли, что они предназначены для стран с высоким уровнем дохода, стабильным энергоснабжением, армией высококвалифицированных инженеров и мощными системами здравоохранения.

Участники этой встречи объединились в новое сотрудничество STELLA – «Умные технологии для продления жизни с помощью линейных ускорителей» (от англ. Smart Technologies to Extend Lives with Linear Accelerators). Существует множество аспектов этой проблемы, которые необходимо решить, включая образование, глобальное развитие, системы здравоохранения и технологии. Используя модели сотрудничества, лежащие в основе Большой науки, мы стремимся решить данную проблему, и наш первый этап – разработка более подходящего LINAC для этих условий – идет полным ходом[243].

Линейные ускорители нашли свое применение и за пределами медицины. Существуют тысячи небольших ускорителей, используемых в системах сканирования в портах и на границах и позволяющих таможенникам делать снимки содержимого грузовиков и грузовых контейнеров для поиска контрабанды. Высокоэнергетические рентгеновские лучи, производимые линейными ускорителями, могут проходить сквозь куда большие объекты – стандартные рентгеновские трубки на это неспособны.

Ускорители электронов используются для стерилизации медицинских изделий, некоторых опасных почтовых отправлений и даже для удаления потенциальных патогенов из определенных продуктов, включая травы. Способов применения становится только больше. В Южной Корее используются небольшие линейные ускорители для очистки вредных выбросов электростанций и промышленных сточных вод без использования агрессивных химикатов. Как бы нелогично это ни звучало, но ускорители частиц вполне могут быть одним из самых экологически чистых инструментов, которые у нас есть, – они даже используются для производства более дешевых солнечных панелей[244]. Рынок такого рода ускорителей в настоящее время составляет около 5 млрд долл. в год и продолжает расти.

Продолжается разработка магнетронов, клистронов и линейных ускорителей как в промышленности, так и в университетских лабораториях, и обычно эта работа проходит в сотрудничестве между ними. Технологии становятся все меньше, дешевле, надежнее и энергоэффективнее. В настоящее время ускорительные технологии для физики элементарных частиц разрабатываются совместно с их приложениями в медицине и промышленности, отчасти потому, что процесс индустриализации может помочь снизить затраты на крупные проекты, как это было при поиске кварков.

Сегодня на конференциях, посвященным новым видам лучевой терапии, которые могут сократить время лечения рака с минут до секунд и от 25 сеансов лечения до всего одного или двух, можно увидеть полным-полно физиков ускорителей[245]. Физики, которые работают вместе с коллегами-медиками над изобретением этих технологий следующего поколения, – это те же самые ученые, которые проводят эксперименты по физике элементарных частиц. Им нравится иметь возможность оказывать непосредственное влияние на реальный мир, при этом никогда не останавливаться в поисках ответов на важные вопросы о Вселенной.

Но все это придет гораздо позже. В конце 1960-х годов началась новая эра открытий. Первые шаги на Луне шли рука об руку с прорывными исследованиями мельчайших составляющих материи. После открытия кварков физики всего мира продолжали революционизировать физику элементарных частиц. Между 1974 и 1977 годами эксперименты в SLAC с использованием кольца электрон-позитронного коллайдера под названием SPEAR предоставили доказательства существования тау-лептона – более тяжелой версии электрона и мюона, – указывающие на то, что может существовать третье поколение частиц. Если это окажется правдой, может быть еще больше кварков. Казалось, не будет конца тайнам, которые порождал субатомный мир.

Глава 11 Тэватрон: третье поколение частиц

Мы впервые встретились с Робертом Ратбуном «Бобом» Уилсоном в Беркли в середине 1940-х годов, когда он предложил идею протонной терапии. К концу 1960-х годов он уже оставил свое звание протеже Эрнеста Лоуренса и сам стал лидером. Уилсон был физиком нового типа, своего рода мастером на все руки – одновременно провидцем, инженером, сборщиком средств и предпринимателем. К тому же он оказался талантливым поэтом, скульптором и оратором и со временем научился сочетать творчество и науку, учредив ведущую в мире лабораторию. Но сначала он должен был получить одобрение на финансирование ее строительства.

В апреле 1969 года Уилсон предстал перед Конгрессом США с просьбой выделить 250 млн долл. на строительство самого амбициозного ускорительного проекта Соединенных Штатов. Дни, когда физики легко получали финансирование, закончились, и Уилсону пришлось конкурировать с другими проектами, просящими государственных денег: от космических миссий NASA до огромных расходов на корабли, самолеты и оружие для обороны. Не успел Уилсон начать, как сенатор Джон Пасторе указал на экспериментальность предлагаемого проекта. Они даже не знали, что смогут в итоге обнаружить! Как можно пойти на столь дорогостоящее и рискованное предложение?

Задуманный ускоритель, сказал Уилсон, поможет найти ответы на извечные вопросы о простоте природы. Возможно ли, спросил он, что мы поймем беспорядочность всей жизни и Вселенной, основываясь всего на нескольких элементарных частицах? Исходя из этого видения, он изложил ситуацию в игре. Они знали о силах гравитации, электромагнитной силе и ядерной силе, которая связывает протоны и нейтроны вместе. Открытие кварков шло полным ходом в SLAC, и, как мы видели в предыдущих главах, физики предполагали наличие четвертой силы – слабого ядерного взаимодействия. При бета-распаде, во время которого нейтрон превращается в протон, кварки, как казалось, испытывают как сильное, так и слабое ядерное взаимодействие. Уилсон утверждал, что эта новая машина позволит проводить эксперименты в таком диапазоне энергий, что физики смогут окончательно подтвердить эти силы и собрать воедино более полное понимание того, как работает Вселенная. В интеллектуальном плане перспективы этого начинания восхищали.

Сенатор Пасторе кивнул и сказал, что, как он понимает, цель ускорителя – фундаментальные исследования в области физики высоких энергий, образовательный и академический процесс. Уилсон добавил: «И культурный, но с твердым убеждением, что придут технологические разработки… Поскольку мы занимаемся чрезвычайно сложными техническими вещами и проводим необычные исследования, мы из прошлого опыта знаем о неизбежном развитии новых методов, способных более чем окупить затраты на фундаментальные исследования, изначально не направленные на достижение соответствующих результатов»[246].

Сенатор хотел помочь Уилсону, обставив все так, будто эта машина незаменима для нации. Он спросил Уилсона, привнесет ли она что-нибудь в безопасность страны, но Уилсон прямо ответил: «Нет». После Манхэттенского проекта его вклад в безопасность с помощью физики был в значительной степени позади, этот проект вызван исключительно любопытством к Вселенной. Сенатор надавил: «Совсем ничего?»

Уилсон сделал паузу, затем посмотрел на сенатора и сказал: «Эта машина привнесет что-то только в уважение, с которым мы относимся друг к другу, в достоинство человека, нашу любовь к культуре. Она ответит на вопрос, хорошие ли мы художники, хорошие скульпторы, великие поэты. Я имею в виду все то, что мы действительно почитаем в этой стране и к чему относимся с патриотизмом… Но она не имеет никакого отношения непосредственно к защите нашей страны, разве что сделает ее достойной защиты»[247].

Бюджет был утвержден. В октябре того же года Уилсон лично воткнул лопату в землю на площадке в часе езды от Чикаго, ознаменовав официальную церемонию закладки фундамента Национальной ускорительной лаборатории, позже известной как Фермилаб.

Фермилаб действительно не похожа ни на одну другую физическую лабораторию. В соответствии с интересами Уилсона, вместо однообразных кирпичных и сборных зданий здесь полно скульптур и архитектурных деталей. Проезжая через небольшую деревню с домами, обшитыми деревянными панелями, и попадая на территорию Фермилаба, посетители видят не высокотехнологичное оборудование, а стадо бизонов – дань уважения степному наследию. Приближаясь к главному зданию, посетители проезжают между длинными бассейнами, отражающими свет. В их дальнем конце находится похожий на собор[248] Уилсон Холл – бетонное сооружение высотой 76 м, смягченное архитектурными изгибами. Со смотровой площадки на верхнем этаже можно увидеть километры туннелей и технологий, ускорители и эксперименты, разбросанные по обширной площадке, как круги на полях.

В видении Уилсона лаборатория должна быть захватывающей, функциональной и красивой. Он считал, что ее эстетика повлияет и на ее успех. Штатный художник Анджела Гонсалес принимала участие в разработке буквально всего, начиная от логотипа лаборатории и приветственных плакатов и заканчивая столиками в кафетерии. Эстетичность стала важной частью и научного оборудования. Уилсон считал, что научные инструменты должны быть такими же красивыми, как идеи теоретической физики. Как скульптор, он настаивал на том, чтобы ускорители, эксперименты и все другие аспекты большой лаборатории имели изящные линии, хорошо сбалансированные объемы и внутреннюю эстетическую привлекательность[249].

Сначала Уилсон набросал объект широкой кистью, почти как если бы он очерчивал формы на холсте. Он должен быть научно амбициозным, чтобы привлечь к проекту лучших ученых, но при этом надо придерживаться бюджета. Он решил, что его первоначальная цель – та, на которую выделили бюджет, – недостаточно амбициозна. Вместо энергии в 200 ГэВ он хотел достичь 500 ГэВ с помощью ускорителя – «Главного кольца» с радиусом 1 км. Размер был выбран просто потому, что его легко запомнить. Но вдобавок к этой новой задаче Уилсон решил ускорить график строительства. Вместо первоначальных семи лет он хотел уложиться в пять.

Лучшие умы узнали о его диковинной идее и начали присоединяться к проекту. Его видение привлекло физиков, инженеров и специалистов по решению проблем с огромной творческой энергией и энтузиазмом. Новое «Главное кольцо» было уже не единственным ускорителем, который нужно построить. Уилсон знал, что для него потребуется целая цепочка предварительного ускорения: протоны запускались в генераторе Кокрофта – Уолтона, затем они проходили через LINAC и попадали в кольцо, называемое бустером. Только после этого пучок протонов передавался в «Главное кольцо».

Физик ускорителей Хелен Эдвардс и ее муж Дон присоединились к команде в 1970 году, когда все только начиналось. Родом из Детройта, штат Мичиган, Эдвардс заинтересовалась естественными науками и математикой, когда посещала школу для девочек в Вашингтоне, округ Колумбия, и, несмотря на борьбу с дислексией, осваивала предметы исключительно благодаря концентрации внимания. Она получила степень бакалавра по физике в Корнелле, единственная женщина среди дюжины мужчин. Она намеревалась сразу поступить в аспирантуру, но в то время женщины должны были сначала получить степень магистра. Тем не менее она упорствовала и завершила свое исследование по распаду частиц, приобретя практический опыт работы с ускорителем электронов Корнеллского университета. Именно там с ней познакомился Уилсон, и всем было ясно, что ее способность концентрироваться на главном делала ее отличным специалистом по решению научных и технических проблем. Уилсон поручил Эдвардс ввести в эксплуатацию бустерный синхротрон.

Эдвардс и ее команда быстро привели бустер в действие, и он мог доставлять протоны с энергией 8 ГэВ в «Главное кольцо». Команды, управляющие генератором Кокрофта – Уолтона и линейным ускорителем, тоже достигли своей цели – запустить их в эксплуатацию. Поскольку строительство шло с головокружительной скоростью, Эдвардс присоединилась к команде, работающей над уже частично завершенным «Главным кольцом».

Темп работ был лихорадочным, а условия – мрачными: из-за протечек туннель «Главного кольца» иногда заполнялся грязью, через которую приходилось пробираться, чтобы продолжить установку магнита. Уилсон пошел на риск, заявив, что «оборудованию, способному работать без сбоев, свойственна избыточность, и, следовательно, на создание такого оборудования уйдет слишком много времени и средств»[250]. Он утверждал, что дешевле будет чинить вышедшие из строя детали.

Проблемы нужно было решать быстро, и в команде Эдвардс позже рассказывали истории, как она могла производить подробные вычисления прямо на коленке, решая трудности по мере их появления. Ее команда была не менее изобретательна. После сварки ускорителя они обнаружили, что в вакуумной трубе оставались небольшие кусочки металлического мусора, которые могли сбить протоны с пути, вызвать радиацию или повредить машину. Уже не зная, что делать, один инженер обучил хорька по имени Фелиция протягивать веревку через трубку, к веревке он затем прикреплял чистящий тампон и протягивал веревку обратно, удаляя мусор[251]. Это сработало, но впереди поджидало еще больше неприятностей.

Затем Эдвардс взяла на себя решение другой проблемы: как заставить протонный пучок покинуть машину. Нужно было сохранить по крайней мере 98 % луча, иначе повышается риск возникновения радиации и разрушения компонентов. Принятое решение[252] заключалось в точной настройке машины таким образом, чтобы луч отклонялся очень близко к краю трубы в трех местах, где команда установила электростатические перегородки – металлические полосы, удерживаемые под очень высоким напряжением, – которые обеспечивали достаточную силу, чтобы вытянуть луч из машины.

К 1974 году все заработало и все три экспериментальные области могли принимать луч в одно и то же время. Энергия «Главного кольца» была увеличена с 200 ГэВ до 400 ГэВ в 1975 году, а затем – до 500 Гэ В. Каждая точка выхода луча из кольца была разделена еще на три части, обеспечив в общей сложности девять лучей от одного ускорителя. Когда машина была готова к использованию, можно было сосредоточить внимание на экспериментах.

В основном эксперименты сосредотачивались на нейтрино, мезонах и протонах соответственно. По большей части эксперименты разрабатывались и проводились университетскими учеными, а не собственными сотрудниками лаборатории. Отчасти это было связано с бережливостью Уилсона. Чтобы сэкономить, он решил, что экспериментаторы будут отвечать за свои собственные участки, и им просто предоставят «яму» – буквально яму с земляным полом, вырытую в земле для защиты от радиации, – в комплекте со стенами из гофрированного железа и крышей. Очевидно, что эстетический план Уилсона не распространялся на удобство пользователя. Университетские ученые чувствовали несправедливое отношение к себе, поскольку условия работы в Фермилабе были куда суровее в отличие от сравнительно шикарных лабораторий SLAC или ЦЕРН[253].

Несмотря на крайнюю некомфортность экспериментальных ям, Уилсон знал, что создает самый высокоэнергетический пучок в мире и физики будут стучать в его двери. И, конечно же, тут он не ошибся. К 1976 году лаборатория получила предложения от более чем 120 исследовательских центров, включая сотрудников из Канады, Европы и Азии. Более половины из 500 предложенных экспериментов были одобрены, и к 1978 году многие из них были завершены. Одним из первых экспериментаторов был харизматичный физик из Колумбийского университета Леон Ледерман.

С момента основания Фермилаба Ледерман был защитником и сторонником этой лаборатории. Он соответствовал представлению Уилсона об идеальном экспериментаторе – амбициозном, но готовом адаптироваться. Там, где Уилсон был ковбоем, Ледерман был городским пройдохой. Родившийся в Нью-Йорке в семье украинско-еврейских иммигрантов, в колледже он выбрал физику, когда друг убедил его в ее великолепии за долгим вечерним пивом. Он научился выбирать важные физические проблемы, что привело его к совместному открытию мюонного нейтрино в 1962 году. С этого начались его эксперименты в Фермилабе.

Ледерман и другие знали о двух существующих поколениях частиц, которые можно было бы сгруппировать в лептоны, состоящие из электрона и его более тяжелого родственника мюона, вместе с электронным нейтрино и мюонным нейтрино. И о поколениях кварков: первое поколение состоит из верхних и нижних кварков, и потому казалось разумным, что у странного кварка тоже должен быть свой «партнер», названный очарованным кварком, которые вместе составят второе поколение. Такое предложение было выдвинуто теоретиками в 1970 году и первоначально мотивировано эстетическими соображениями. Но в дальнейшем это помогло решить некоторые технические проблемы в уравнениях.

К тому времени, когда заработало «Главное кольцо», Ледерман уже упустил возможность открыть очарование. Оно был найдено в 1974 году почти одновременно в Брукхейвене и SLAC в виде частицы J/Ψ (читается как «джей-пси», где пси – греческая буква Ψ)[254]. Но на этом сюрпризы природы не закончились. Как мы видели в конце предыдущей главы, в 1975 году исследователи из SLAC обнаружили еще более тяжелую версию электрона и мюона – тау-лептон. У Ледермана появилась новая мотивация: если существует третье поколение лептонов, тогда почему бы не существовать и третьему, более тяжелому поколению кварков?

Ледерман запросил себе рабочее место для проведения нового эксперимента, названного, по его предложению, «Эксперимент 288» (E288), в ходе которого он собирался использовать электронные детекторы для поиска пар мюонов, являвшихся ожидаемой сигнатурой короткоживущей тяжелой частицы. Целью ученого было найти частицы, содержащие еще более тяжелые кварки, чем обнаруженные до сих пор верхние, нижние, очарованные и странные. Когда его предложение было принято, а эксперимент подготовлен, пучок протонов с энергией 500 ГэВ был направлен из «Главного кольца» к их яме, где команда собирала данные о каждой паре мюонов, которые она обнаружила. Чтобы проанализировать результаты, ученые суммировали энергию каждой пары мюонов и обозначали их точками на гистограмме. Пик или любая выпуклость на этой гистограмме будет свидетельствовать о появлении новой частицы.

К 1976 году обнаружился пик в области 6 Гэ В. Несмотря на то что количество событий было небольшим, вероятность того, что эти события были статистическим отклонением, составляла всего 2 %. Команда пошла дальше и опубликовала статью, в которой сообщалось о совершенно новой частице, названной ипсилоном, что они интерпретировали как «величественная частица»[255]. Затем случилось немыслимое. По мере того как они собирали больше данных, пик, показывающий ипсилон, исчез, поглощенный фоновым шумом случайных событий. Частицы с массой 6 ГэВ все-таки не было.

Это был жестокий урок статистики и одна из причин, по которой сегодня общепринятым стандартом для объявления об открытии новой частицы физики называют «правило 5 сигм». То есть вероятность получения случайного результата составляет менее одного шанса на 3,5 миллиона[256]. Ни в одной другой области науки не применяется такой невероятный стандарт. Например, если у вас диагностировали заболевание и врач сказала, что она на 95 % уверена, что данные клинических испытаний для предложенного лечения верны, вы примете лекарство, верно? Но физики элементарных частиц не посчитают это достаточным доказательством. Работая над такими длительными и крупными проектами, физики элементарных частиц хотят быть уверенными, что они не обманывают себя насчет того, что реально, а что нет.

Ледерман воспринял неудачу с юмором, даже после того, как его коллеги переименовали несуществующую частицу в УпсЛеон в его честь. Команда E288 вернулась к своему эксперименту весной 1977 года и начала собирать новые данные. Когда пик возник примерно на 9,5 ГэВ всего через семь дней, один из физиков, Джон Йо, воскликнул: «Что, черт возьми, происходит?!» Но, как того требовала традиция, он на всякий случай поставил в холодильник бутылку шампанского с надписью «9,5».

Но теперь они не спешили делать объявление. Они были полны решимости полностью удостовериться в том, что эта новая частица, образующаяся один раз на каждые 100 миллиардов протонов, сталкивающихся с мишенью, не случайна. Они приготовились собрать больше данных. В 11 часов вечера 20 мая произошел сбой в проводке устройства для измерения тока на магните. Кабель нагрелся, расплавился, а затем поджег соседний кабельный лоток. Вскоре зал наполнился едким дымом. Команда запаниковала.

Прибывшая пожарная бригада быстро все потушила, но команда встревожилась еще сильнее: вода, которой тушили возгорание, в сочетании с газообразным хлором, выделяемым в воздух огнем, образовала кислоту, которая начала разъедать электронные компоненты оборудования. Если они не смогут остановить коррозию, они никогда не соберут достаточно доказательств, чтобы объявить о новой частице. Отчаявшись спасти эксперимент, Ледерман вызвал голландского эксперта, который прибыл через 72 часа с ведрами секретного чистящего раствора. Все члены команды E288, сотрудники протонного отдела, мужья и жены, друзья и секретари присоединились к физикам на производственной линии, помогая им очистить 900 печатных плат под пристальным наблюдением эксперта.

Когда эксперимент был спасен, пять дней спустя они снова начали сбор данных. Пик на 9,5 ГэВ продолжал появляться. Масса новой частицы примерно в 10 раз превышала массу протона. Дважды – и трижды – команда перепроверяла свои результаты, но на этот раз они были абсолютно точны.

15 июня 1977 года они созвали семинар в аудитории Фермилаба и объявили, что у них правда получилось: команда E288 обнаружила совершенно новую частицу с энергией 9,5 ГэВ – самую тяжелую частицу, когда-либо обнаруженную, и первую, обнаруженную в Фермилабе. Ее вновь назвали ипсилон, но на этот раз название прижилось. В честь знаменательного открытия была выпита 9,5-литровая бутылка шампанского, и Фермилаб прочно вошел в историю как лаборатория экспериментальных открытий.

Согласование новых экспериментальных данных с развитием теории не заняло много времени. Оказалось, что ипсилон представляет собой комбинацию b-кварка и анти-b-кварка, название которых расшифровывается как боттом-кварк, или прелестный кварк, в зависимости от того, кого вы спросите. Новый тяжелый b-кварк был предсказан еще в 1973 году японскими теоретиками Макото Кобаяси и Тосихидэ Маскавой, а названия «топ-кварк» и «боттом-кварк» были придуманы в 1975 году израильским физиком Хаимом Харари. Несмотря на возрастающую сложность физики элементарных частиц, ипсилон еще раз подтвердил, что в основе природы лежит простота и симметрия. Всего было шесть лептонов (электрон, мюон, тау и их нейтрино) и шесть кварков (верхний, нижний, странный, очарованный, боттом (прелестный) и топ (истинный)).

Оглядываясь назад, можно сказать, что ипсилон был, как сказал Ледерман, «одним из самых ожидаемых сюрпризов в физике элементарных частиц»[257]. Теперь, когда стало известно, что существует боттом-кварк, стоило предположить, что есть и его тяжелый партнер, топ-кварк. Хотя физики пока не понимали, насколько он должен быть тяжелым, поскольку теория этого не говорила, следующие эксперименты в Фермилабе были предопределены. Начались поиски шестого – и последнего – кварка.

Фермилаб соответствовал видению Уилсона как национальное и международное учреждение, но Уилсон на этом не остановился. Он всегда смотрел далеко за пределы этой первой стадии. К открытию ипсилона у Фермилаба был уже не самый большой ускоритель в мире: пальма первенства перешла ЦЕРНу, построившему кольцо длиной 7 км под названием Протонный суперсинхротрон с энергией 450 Гэ В. Уилсон и Эдвардс гордо их обогнали, достигнув 500 ГэВ с немного меньшим по размеру «Главным кольцом», но теперь Уилсон раскрыл план, который он так долго вынашивал.

С самого начала Уилсон не хотел останавливаться на «Главном кольце», и у него были две идеи. Во-первых, он понял, что, если к комплексу добавить второй ускоритель, состоящий из мощных магнитов, они смогут удвоить энергию пучка. Они могли бы повторно использовать тот же туннель для создания пучков с энергией 1000 ГэВ или 1 ТэВ, достигая тем самым «тера-масштаба» и потенциально получая совершенно новые возможности. Во-вторых, он хотел построить машину, которая могла бы сталкивать частицы непосредственно друг с другом, а не с фиксированной целью: построить коллайдер, а не просто ускоритель.

Новое кольцо, получившее название «Удвоитель энергии», но позже переименованное в Тэватрон, должно было находиться непосредственно под «Главным кольцом», где Уилсон выделил для него достаточно места. План состоял в том, чтобы сначала ускорить протоны в существующем «Главном кольце», а затем передать пучок в кольцо Тэватрона, где он достигнет энергии в 1 Тэ В. Удержать на траектории настолько высокоэнергетические частицы возможно только с магнитной технологией совершенно нового типа, которая могла бы создавать магнитное поле в два раза большее, чем магнитное поле «Главного кольца». Обычные электромагниты, изготовленные из железа и меди, уже не подходили, поэтому Уилсон планировал использовать сверхпроводящие магниты, называемые так потому, что они сделаны из материалов, которые могут выдерживать огромный электрический ток, не выделяя тепла.

Сверхпроводящие материалы теряют все электрическое сопротивление ниже определенной температуры, обычно около –270 градусов по Цельсию – эффект, впервые обнаруженный еще в 1911 году. Пятьдесят лет спустя были обнаружены первые сверхпроводящие материалы[258], которые можно было сформировать в провода. Теоретически эти провода могли бы создавать сильное магнитное поле. Проблема заключалась в том, что никто никогда не делал магнит ускорителя таким образом. Как всегда, Уилсон был впереди и в 1972 году запустил программу по созданию сверхпроводящих магнитов – поразительный шаг за пять лет до того, как Ледерман и команда E288 обнаружили ипсилон.

Второй аспект смелого видения Уилсона заключался в столкновении двух лучей вместе, и это было не менее сложно. Столкновение частиц лоб в лоб – почти невыполнимая задача, поскольку каждая отдельная частица настолько мала, что ее шансы столкнуться с другой частицей ничтожны. Но Уилсон настаивал на своем плане, видя в нем небывалые перспективы. В предыдущих ускорителях, где высокоэнергетические пучки разбивались о неподвижные мишени, сохранение энергии диктовало, что большая часть энергии в пучке уходит на выбивание частиц из мишени и их унос. Только ограниченная часть этой энергии идет на создание новых частиц. В физике элементарных частиц мы называем это энергией центра масс, и в случае, когда луч с энергией 1 ТэВ попадает в цель, на создание частиц уходит всего 43,3 ГэВ полезной энергии. Любые частицы с массой выше 43,3 ГэВ просто нельзя создать.

Именно это Уилсон хотел улучшить. При лобовом столкновении вся поступающая энергия переходит в энергию центра масс, поэтому два сталкивающихся пучка с энергией 1 ТэВ будут иметь энергию центра масс 2 ТэВ, для достижения которой в традиционных экспериментах с мишенями потребовался бы ускоритель в десятки раз больше. Как бы ни было сложно построить коллайдер, его преимущества казались очевидными.

Первоначальное «Главное кольцо», конечно, было тоже непросто построить, но идея нового коллайдера казалась и вовсе безумной. Были риски в каждом отдельном аспекте, и все детали надо было производить на заказ. Для нового кольца требовалось 774 ниобий-титановых сверхпроводящих дипольных магнита, охлаждаемых в жидком гелии, чтобы изогнуть луч по кругу, и дополнительные 216 квадрупольных магнитов для его фокусировки. Нужны были также запасные части на случай практически неизбежных поломок. Ни одна компания не знала, как создавать такие магниты, собственно, как и Фермилаб. Элвин Толлеструп, один из ведущих разработчиков, представил эту идею своим европейским коллегам в ЦЕРНе. Как он позже вспоминал: «Ребята сидели и смеялись… Они думали, что мы чокнутые»[259]. Физики из ЦЕРНа знали, что никто в мире не способен создать магниты, нужные для Тэватрона, и, конечно, не в требуемом количестве. Как можно сделать то, что никогда раньше не производилось, в масштабах, которые кажутся почти смешными, поскольку ни одна компания ничем подобным не занималась?

Первым шагом было найти сырье для магнитов. В 1974 году лишь несколько специализированных компаний продавали ниобий-титановый сверхпроводящий материал для высокотехнологичных устройств, и большинство заказов было всего на несколько граммов или, самое большее, на несколько килограммов. Команда Фермилаба спросила, сколько будет стоить тонна. Позже в том же году они разместили заказ на закупку ошеломляющего количества ниобий-титана, эквивалентного 95 % материала, который когда-либо производился.

Поскольку сырье было в пути, следующим этапом было выяснить, как превратить его в кабели. Многие пытались и потерпели неудачу, но в лаборатории Резерфорда – Эплтона в Великобритании команда ученых придумала способ вытягивания драгоценного ниобий-титанового материала в очень тонкие волокна и встраивания тысяч этих волокон в медную матрицу с образованием нитей проволоки, которая в конечном итоге формировала кабель. Звучит просто, если знать, как это делается, но команде Фермилаба пришлось научиться этому с нуля.

Затем в лаборатории решили передать производство проводов на аутсорсинг, отдав сырье и рецепт того, как добиться идеальной длины проволоки. Фермилаб не стал патентовать процедуру изготовления проводов, сделав ее общедоступной и открыв конкуренцию для производителей за поставку готового кабеля для своего огромного проекта. Как только кабель был изготовлен, его скрутили в катушки и подключили к источнику энергии для создания магнита.

Вся эта осторожность и точность необходимы для того, чтобы предотвратить квенч – явление, когда крошечные тепловые эффекты могут привести к тому, что магнит потеряет свое сверхпроводящее состояние и внезапно нагреется. Причем квенч – это не просто небольшое затруднение: при нем выделяется огромное количество энергии, и если его не предотвратить, то магнит и его источник питания могут просто взорваться. Сверхпроводящие магниты чрезвычайно деликатны.

Сегодня у нас за плечами десятилетия исследований, но в 1970-х годах никто не понимал, как сделать такой магнит, и было очень мало теоретических знаний о возможных сложностях. Уилсон, сам опытный мастер, осознал стоящую перед ними задачу и решил создать «фабрику сверхмагнитов», поставив во главе Толлеструпа. Магниты были настолько чувствительны к изменениям, что Толлеструп решил: при каждой попытке следует менять только одну переменную. Другого выхода не было, только метод проб и ошибок.

Между 1975 и 1978 годами было произведено около 100 30-сантиметровых магнитов, в каждом были небольшие отличия от других, чтобы выяснить, какой прототип лучше подойдет. Если короткий прототип показывал многообещающие результаты, ученые создавали более длинную версию, пока в конце концов не получался полномасштабный магнит длиной 6,7 м. Опыт показал, что любые незначительные изменения в методе создания могут привести к катастрофе. Тот факт, что в своей мини-версии магнит хорошо работает, вовсе не гарантирует, что в длинной версии все будет как надо[260].

Метод исследований и разработок Фермилаба, безусловно, считался необычным в то время. Команда создала производственное ноу-хау, позволяющее увеличить производство от отдельных рабочих магнитов почти до тысячи единиц, и все это своими силами. Физикам была нужна уверенность, что они могут контролировать мельчайшие детали и достигать необходимого уровня качества и согласованности. Они должны были быть уверены, что все магниты абсолютно одинаковы, что нет никаких дефектов или различий, которые могли бы иметь катастрофическое влияние на протонный пучок. Только после столь интенсивного многолетнего труда магниты можно было наконец собрать в кольцо и превратить его в ускоритель частиц.

Вся эта разработка магнитов велась одновременно с поиском ипсилона, его открытием и вычеркиванием из записей, а затем повторным и окончательным занесением в ряд частиц. Уилсон разделил усилия сотрудников и попросил некоторых из них сосредоточиться исключительно на Главном кольце, в то время как другие работали над Тэватроном. Среди последних и все больше разочаровывающихся была Хелен Эдвардс. У нее, как и у некоторых других, были опасения по поводу Тэватрона, поэтому вместе они образовали неофициальный «Комитет по подземным показателям», занимающийся вопросами проектирования. Уилсон поддержал работу Комитета, когда узнал о ней.

Но техническими проблемами все не ограничилось. В Фермилабе не хватало денег, а правительство еще не утвердило финансирование Тэватрона. В 1978 году, в условиях нехватки финансирования и пока так и не реализованной идеи Тэватрона, Уилсон постепенно разочаровывался в своей роли директора. В конце концов он решил уйти, передав роль руководителя лаборатории Леону Ледерману, который должен был принять решение – и быстро – о том, будут ли они продолжать работу с новым кольцом или сократят расходы и переделают в коллайдер само Главное кольцо. Конкуренция со стороны ЦЕРНа была безжалостной. Они уже превратили Протонный суперсинхротрон в коллайдер с энергией пучка 270 ГэВ, что дает энергию центра масс 540 ГэВ, достаточную для поиска тяжелых частиц.

В ноябре 1978 года Ледерман организовал обзорную встречу, более известную как «перестрелка». Сторонники и противники создания Тэватрона представили свои аргументы, а эксперты из других лабораторий были привлечены в качестве судей. Вместе они пришли к убеждению, что не смогут конкурировать с ЦЕРН, сделав коллайдер из Главного кольца. Они также пришли к выводу, что, несмотря на все риски, Тэватрон осуществим. В ходе этих дебатов стало очевидным второе преимущество сверхпроводящих магнитов. Поскольку цены на нефть стремительно росли, а нехватка электроэнергии была в полном расцвете, счета Фермилаба за электроэнергию достигали примерно 10 млн долл. в год, что составляло огромную часть эксплуатационных расходов лаборатории. Но сверхпроводящие магниты могут заряжаться энергией, а затем продолжать работать, что позволит лаборатории сэкономить около 5 млн долл. в год на счетах за электроэнергию.

К концу двухдневных дебатов Ледерман принял решение: они продолжат работу над Тэватроном. Недавно созданное Министерство энергетики согласовало поэтапный план. Команда Фермилаба должна была продемонстрировать цепочки магнитов, надежно работающих сначала в испытательном зале, а затем в главном туннеле, прежде чем проект будет утвержден.

Руководство проектированием и строительством Тэватрона было очень важной задачей, и Ледерман поручил ее Хелен Эдвардс и Ричу Орру. Орр – физик, родом из Айовы, известен своим спокойным поведением. Он помогал строить мезонную лабораторию и, как и Эдвардс, стал хорошо известен умением объединять людей и двигать их к успеху. Вместе они были отличным дуэтом, знающим, как расставить приоритеты, что оказалось критически важным в проекте такого размера, как Тэватрон.

Испытание магнита прошло без сучка и задоринки. Все было настолько успешно, что решили еще больше разогнать магниты, повысив силу тока до 4000 ампер, чтобы вызвать квенч. Все системы защиты сработали великолепно, выпустив кипящий гелий и защитив магниты. Затем попытались вызвать электрические дуги, но, как позже рассказывал Рич Орр, «сломать магниты просто невозможно». Они были готовы к работе. Производство увеличилось, фабрика магнитов перешла на полную мощность, и рабочие проводили в туннеле чуть ли не круглые сутки, прокладывая трубы и соединения, выполняя электромонтажные работы и устанавливая магнит за магнитом.

К середине июня 1983 года команда Фермилаба запустила луч в кольцо Тэватрона. Две недели спустя, 3 июля, энергия луча достигла 512 ГэВ, что стало новым мировым рекордом. Фермилаб опередил своих европейских соперников, и газеты возвещали о его успехе. Но Эдвардс и Орру предстояло еще более сложное испытание: превратить машину в коллайдер, способный разбивать протонный пучок об антипротонный.

Чтобы коллайдер заработал должным образом, требуется много технической изобретательности. Плотность пучка частиц ниже, чем у твердой или жидкой мишени, поэтому пучки должны пересекаться много раз, и в каждом пучке должно быть как можно больше частиц. Как только протоны и антипротоны оказывались в кольце, требовалось около 20 секунд, чтобы разогнать пучки до 1 ТэВ, чтобы затем магниты направили их по пересекающимся траекториям.

Наконец, когда все части сложились воедино, 30 ноября 1986 года[262] столкнулись первые протонные и антипротонные пучки. Физики ускорителей совершили невозможное: запустили крупнейший в мире сверхпроводящий ускоритель. Но там, где заканчивалась их работа, начиналась работа физиков-экспериментаторов.

К началу 1970-х годов многие открытия, которые мы уже видели, были математически сведены воедино, чтобы сформировать одну всеобъемлющую теорию – Стандартную модель физики элементарных частиц. Стандартная модель включает в себя все частицы, которые были открыты, начиная с электрона, мюона, тау и нейтрино, заканчивая кварками и образуемыми ими частицами: протонами, нейтронами вместе с пионами, каонами, резонансными частицами и так далее. Однако оставалось найти еще один кварк – топ-кварк. Ожидалось, что он будет тяжелым, поэтому для его обнаружения потребуются столкновения с максимально возможной энергией. Вот что мотивировало экспериментаторов, построивших Тэватрон.

Международные команды физиков приступили к проведению двух крупных экспериментов, которые включали в себя создание двух огромных детекторов вдоль кольца, где сталкивались лучи Тэватрона. Первая экспериментальная группа построила детектор столкновений, известный как CDF (от англ. Colliding Detector at Fermilab), и выбрала Элвина Толлеструпа и Роя Швиттерса в качестве докладчиков. Сотрудничество началось быстро: физики из Пизанского университета в Италии и Цукубского университета в Японии присоединились к коллегам из примерно 10 американских институтов. CDF представлял собой огромный 4500-тонный многослойный цилиндрический детектор, встроенный в сверхпроводящий соленоид, чья задача – изгибать частицы и определять их импульс. Различные слои детектора чувствительны к различным частицам, что позволило восьмидесяти семи ученым, работавшим над детектором, измерять энергию, заряд и тип частиц, а также создавать цифровые реконструкции осколков от столкновений частиц. Все слои теперь были полностью электронными, поэтому сбор данных и вычисления стали неотъемлемой частью эксперимента. Для создания детектора каждое сотрудничающее учреждение взяло на себя ответственность за разные части детектора, а также за финансовые и технические аспекты его создания и доставки. В конце концов его собрали воедино и в 1986 году начался сбор данных.

После CDF был построен второй детектор, DZero (названный так из-за его расположения в кольце). Команде DZero нужно было кое-что наверстать, но в конечном итоге сотрудничество выросло до размеров, аналогичных CDF, и в итоге обе группы насчитывали несколько сотен человек. Два эксперимента были необходимы для того, чтобы обеспечить независимую проверку любого нового явления. DZero был немного более громоздкий, чем CDF: он весил 5500 тонн и достигал высоты более четырех этажей, со слоями детекторов, похожих на CDF. DZero начал собирать данные в 1992 году.

Эти два невероятных устройства представляли собой новый тип детектора частиц, который окружал экспериментальную установку. Детекторы были настолько сложными и дорогостоящими, что их нельзя было демонтировать в конце эксперимента, как бывало раньше. Вместо этого они должны были стать многоцелевыми и оставаться на месте. Были заявлены беспрецедентные масштабы экспериментов, которые физики планировали провести на этом новом коллайдере, – они могли длиться дольше, чем того требует получение докторской степени или постоянная преподавательская работа. Даже руководитель экспериментов брал бразды правления в свои руки лишь на некоторое время, а затем передавал их другому коллеге. Это была уже не просто Большая наука – это была меганаука. Из национальной лаборатории Фермилаб превратился в по-настоящему международную, а к программе продолжали присоединяться исследователи из многих уголков мира.

Два эксперимента должны были обеспечить независимую проверку любого нового явления. К концу 1993 года обе команды осторожно начали говорить о доказательствах существования шестого кварка, топ-кварка, но им требовалось больше времени и больше данных, чтобы соблюсти уровень статистической значимости в 5 сигм. Наконец, в 1995 году обе команды объявили об открытии топ-кварка. Последняя частица Стандартной модели найдена – безусловно, самая тяжелая элементарная частица. Топ-кварк весит больше, чем атом золота, несмотря на то что он является точечной частицей, как и электрон. Время его жизни составляет всего полутриллионную триллионной доли секунды (5 × 10^–25 секунд), после чего он распадается на следующий тяжелый кварк, боттом-кварк[263]. Топ-кварк настолько недолговечен, что у него нет времени объединяться с другими кварками, поэтому, в отличие от других кварков, которые всегда объединяются, топ-кварк проводит свою невероятно короткую жизнь в одиночестве. И вот двадцатилетнее путешествие с момента открытия b-кварка в 1970-х годах в ипсилоне привело к знаменательному открытию его партнера – t-кварка, и это достижение попало в заголовки газет по всему миру.

Трудно переоценить сложность нахождения такой частицы, как топ-кварк, поскольку вероятность встретить его среди обломков столкновения частиц невероятно мала. Для этого физики-экспериментаторы должны были быть экспертами не только в практических экспериментах, но и в статистике и вычислительных методах. Это был совершенно иной набор навыков, чем у их коллег всего двадцатью годами ранее. В значительной степени виной тому то, что взаимодействия частиц вероятностны по своей природе, как диктует квантовая механика. Не все в эксперименте можно рассчитать вручную, и не было смысла проводить эксперимент, не способный найти топ-кварк или другие частицы и процессы, которые искали ученые, поэтому подготовка была необходима. Так как же все просчитать? Используя компьютерное моделирование, физики могут ввести всю известную теоретическую информацию и соответствующие вероятности, а затем использовать подход, известный как метод Монте-Карло, чтобы получить обзор статистических результатов эксперимента.

Название этого метода происходит от знаменитого «ложного вывода Монте-Карло», или ошибки игрока, в основе которого лежит идея о том, что, хотя одно событие может быть непредсказуемым, исход многих событий можно определить. История выглядит так.

В 1913 году в казино Монте-Карло в Монако шарик рулетки выпал на черное 26 раз подряд. Вероятность того, что это произойдет, составляет один к 66,6 миллиона, но вероятность выпадения черного при каждом вращении всегда одинакова – 50 %. С каждым новым вращением игроки считали, что в следующий раз наверняка выпадет красное. По мере того как количество вращений, выпадающих на черное, увеличивалось с 8, 9, 10 и более, они были настолько уверены, что на следующем вращении должно выпасть красное, что ставили миллионы франков. И все теряли. Единственный гарантированный способ не потерять деньги, делая ставки на такого рода статистические игры, – это продолжать увеличивать свою ставку каждый раз, когда вы проигрываете, так что при выигрыше вы возместите свои предыдущие потери. Это не только психологически чрезвычайно сложно, но и обычно не допускается в казино, поэтому размер ставки ограничивается и казино выигрывает.

Предсказуемые результаты вращений колеса рулетки вдохновили математиков, включая Станислава Улама и Джона фон Неймана, еще в 1946 году, когда Улам работал в Лос-Аламосе. Его команда столкнулась с проблемой, когда им нужно было рассчитать рассеяние нейтронов в определенном веществе. Они знали среднее расстояние, которое должен пройти нейтрон, прежде чем он ударится об атомное ядро, и знали, сколько энергии задействовано в столкновении, но, несмотря на это, не смогли вычислить ответ математически. Улам лежал в больнице, восстанавливаясь после операции, и пытался прикинуть шансы на удачную комбинацию, раскладывая пасьянс, когда ему в голову пришла идея: почему бы не провести целый ряд испытаний наподобие вращения колеса рулетки, подбрасывания монеты или раскладывания пасьянса и не подсчитать, что произойдет в каждом случае? Проследив результаты различных серий столкновений, определяемых известными вероятностями, для большого числа нейтронов, можно определить их общее рассеяние. Один из коллег Улама назвал этот метод методом Монте-Карло.

По мере роста вычислительной мощности эти методы становились все более и более точными. Общая идея состоит в том, чтобы избежать выполнения невероятно длинных – или даже невозможных – вычислений вручную и вместо этого выполнить большое количество случайных испытаний. Физика элементарных частиц была на передовой этих разработок, так что ко времени создания Тэватрона физики уже вовсю использовали сложные компьютерные технологии для моделирования методом Монте-Карло, проектирования детекторов, моделирования результатов экспериментов и многого другого.

Таким образом, физики-экспериментаторы могут создавать наборы данных, очень похожие на ожидаемые ими результаты эксперимента. Они могут разработать алгоритмы для анализа ожидаемых данных еще до того, как эксперимент будет осуществлен, что позволяет им проверить связанные с ним неопределенности и посмотреть, есть ли у эксперимента шанс получить статистически значимый результат (а учитывая то, как привередливо мы относимся к статистической значимости, это стоит того!). Если существует теоретическая модель частицы или взаимодействия, они могут даже сгенерировать искомый «сигнал» и спрятать его на фоне остальных, чтобы проверить, насколько успешно алгоритм анализа справляется с его поиском.

Столь сложная подготовка означает, что физики могут запустить свои алгоритмы анализа, как только у них появятся реальные экспериментальные данные, и проверить, отличны ли они от моделирования. Если да, тут налицо новое физическое явление. При подготовке эксперимента по обнаружению редких взаимодействий, например создание топ-кварка, это лучший метод, позволяющий гарантировать нахождение малых сигналов среди всех известных физических эффектов. Таким образом, среди бесчисленных миллиардов столкновений частиц в Тэватроне физикам удалось идентифицировать несколько десятков топ-кварков.

Такой высокий уровень статистической подготовки, которой владеют физики, может иметь некоторые необычные последствия. Однажды за выпивкой на конференции Ферми-лаба американские коллеги поделились со мной историей об одной конференции Американского физического общества 1986 года – крупнейшем собрании физиков в Соединенных Штатах. Организаторам пришлось в кратчайшие сроки найти новое место для проведения мероприятия на целых 4000 физиков. Естественно, они выбрали город, который проводит более 21 000 конференций в год, – Лас-Вегас. Вместо азартных игр физики предпочитали собираться за столами с бесплатной выпивкой, брать бумагу и ручки и проводить вычисления прямо во время разговора. Так, не сговариваясь, они коллективно совершили единственный ход, который гарантировал выигрыш: вовсе не стали играть в азартные игры. В результате отель пережил худшую финансовую неделю за всю свою историю. Конференция стала такой катастрофой для отеля, что в конце недели Лас-Вегас официально попросил их больше не возвращаться. История абсолютно правдива.

Но отложим фольклор в сторону. Статистическая грамотность и опыт, связанные с методом Монте-Карло, означают, что физики элементарных частиц чрезвычайно хорошо умеют моделировать процессы и системы за пределами физики, поэтому они пользуются большим спросом. Моделирование методом Монте-Карло используется повсюду: в прогнозировании погоды и финансовой сфере, в телекоммуникациях и инженерии, в вычислительной биологии и даже в юриспруденции. Многие мои знакомые со студенчества нашли работу в консалтинге, банковском деле, моделировании климатических изменений и эпидемиологии. Я помню, как многие мои друзья, перешедшие в эти области, выражали искреннее удивление тем, что уровень вычислительной и статистической подготовки их новых коллег ограничивался работой с простейшими электронными таблицами.

Тэватрон был амбициозным проектом во многих отношениях, но самое впечатляющее – это его влияние на технологию сверхпроводящих магнитов. Еще в 1940-х годах физики поняли, что сильные магниты могут выравнивать атомы водорода внутри человеческого тела и что, используя определенную последовательность магнитных полей и радиоволн, можно анализировать различные вещества внутри тела, включая расположение отдельных атомов водорода. Первоначально этот метод назывался «ядерный магнитный резонанс», или ЯМР, позже он был переименован в магнитную резонансную томографию, или МРТ. Когда этот метод был только разработан, не было способа создать достаточно сильные магнитные поля, которые доказали бы полезность и коммерческую жизнеспособность МРТ. Но Тэватрон все изменил.

Амбициозный проект Фермилаба создал спрос и предоставил знания, необходимые для промышленного производства высококачественной сверхпроводящей проволоки. Были задействованы два основных производителя: Intermagnetics General Corporation (IGC), поставлявшая 80 % проволоки, и Magnetic Corporation of America (MCA), на которую приходились оставшиеся 20 %. Другие поставщики стали появляться по мере приспособления физиками высоких энергий сверхпроводящих технологий для более широкого применения. В ЦЕРНе была разработана большая пузырьковая камера с использованием сверхпроводящих магнитов, а в области ядерной энергетики – большие устройства магнитного контроля, называемые токамаками, в которых также использовали сверхпроводящий провод[264]. Рынок взлетел, и сверхпроводящие магниты стали доступны для широкого использования.

Сегодня коммерчески доступные МРТ-сканеры используются для получения изображений внутренних органов и тканей человеческого тела. Они дополняют компьютерную томографию, которую мы уже рассмотрели, но МРТ уникальна тем, что для получения изображений она не использует никакого ионизирующего излучения. Сегодня вы найдете такие сканеры в большинстве крупных больниц развитых стран, где они используются для более точного и раннего выявления многих видов рака, а также для получения изображений позвоночника, сердца, легких и других органов. В последние пять лет МРТ-сканеры даже были объединены с ускорителями для лучевой терапии (см. главу 10) в новое устройство – МР-линейный ускоритель, позволяющий с помощью выведения изображения проводить терапию и менять дозу лечения в зависимости от ежедневных изменений формы, размера и положения опухоли[265].

Помимо применения в больницах, множество МРТ-сканеров используется в исследовательских лабораториях. Метод функциональной МРТ способен показать, где в мозге протекает кровь, что указывает на области мозговой активности. Это способствовало революции в понимании работы мозга, природы сознания и формирования воспоминаний. Это также привело к открытию нейротоксинов, которые выводятся из нашего мозга во время сна, что может способствовать лучшему пониманию того, как можно помочь страдающим болезнью Альцгеймера.

В настоящее время мировой рынок МРТ-сканеров составляет 10 млрд долл. в год и постоянно растет[266]. Одни только МРТ более чем доказывают первоначальный довод Боба Уилсона, когда он заявил перед Конгрессом, что Тэватрон приведет к появлению новых технологий. Хотя для того, чтобы это стало возможным, потребовались десятилетия исследований, сейчас инвестиции кажутся более чем оправданными. Конечно, физики из Фермилаба не могут претендовать на изобретение методов магнитно-резонансной томографии. Но без магнитных инноваций, необходимых для создания Тэватрона, сверхпроводящие технологии, применяемые теперь в больницах, могли бы и не стать реальностью.

Технология сверхпроводящих магнитов также была применена в областях, не связанных с ускорителями частиц и магнитно-резонансными томографами. Физики из Брукхейвена добились успеха благодаря своему патенту 1968 года на концепцию Маглева – транспортной технологии, которая использует сверхпроводящую магнитную левитацию и в настоящее время применяется в некоторых самых быстрых поездах в мире. Сверхпроводящие магниты также используются в производстве и передаче электроэнергии, экспериментальных термоядерных реакторах и системах хранения энергии. Как говорил Роберт Марш из корпорации Teledyne Wah Chang, ныне крупнейшего в мире поставщика сверхпроводящих сплавов, «каждая программа в области сверхпроводимости, существующая сегодня, в какой-то мере обязана тому факту, что команда Фермилаба построила Тэватрон и он заработал»[267].

Пока Уилсон и Эдвардс изобретали Тэватрон в середине 1970-х годов, начали появляться теории, указывающие на новые идеи с привлекающими внимание названиями, такими как суперсимметрия, техницвет и теория струн. Все они были едины в предсказании того, что за пределами энергетической досягаемости Тэватрона можно найти что-то еще. Более того, в Стандартной модели – кульминации десятилетий исследований в области физики высоких энергий – все еще недоставало последнего кусочка. Стандартная модель предсказывала существование еще одной частицы, которое нужно было подтвердить или опровергнуть. Эта частица – бозон Хиггса, переносчик силы (со спином 0), частица, масса которой неизвестна. Леон Ледерман попытался подчеркнуть важность этого недостающего фрагмента головоломки, назвав его «частицей Бога».

Было понятно, в каком направлении движется физика высоких энергий. Все эти идеи требовали ускорителей, которые могли бы сталкивать частицы при энергиях, превышающих возможности Тэватрона. Но бюджет, который правительство США было готово выделить на эту авантюру, был ограничен и даже сокращался. Соединенные Штаты наблюдали, как Европа объединилась для строительства ЦЕРНа, где они только что начали рыть огромный туннель длиной 27 км, пересекающий Францию и Швейцарию, для размещения своей следующей машины. Чтобы обойти ЦЕРН, надо было объединить усилия по всему миру и создать то, что они назвали Всемирной лабораторией.

Леон Ледерман был убежденным сторонником создания новой машины с привлечением мировых партнеров, которые помогли бы оплатить ее строительство, и еще в 1976 году возникла идея создания коллайдера, в 20 раз более мощного, чем Тэватрон. Физики набросали кольцо длиной 87,1 км, сделанное из сверхпроводящих магнитов, для столкновения двух пучков с энергией 20 ТэВ, и назвали его Сверхпроводящим суперколлайдером (SSC – Superconducting Super Collider). Они заверили правительство, что этот проект вернет США лидерство в области физики высоких энергий. Проект такого масштаба принесет престиж и даже стимулирует местную экономику, создав, по оценкам, 13 000 рабочих мест. Фермилаб хотел разместить машину в Иллинойсе, но штат Техас выиграл тендер, и был выбран участок в Уоксахачи, в 48 км к югу от Далласа. Проект был одобрен в 1983 году, и к середине 1980-х бригады землекопов приступили к рытью огромных туннелей. Физик Рой Швиттерс из Техасского университета в Остине, который руководил экспериментом CDF, возглавил проект.

Тогда и начались проблемы. Чтобы взяться за такой крупный проект, Министерство энергетики попыталось навязать военно-промышленный стиль работы, который совсем не понравился ученым. Ученых обвинили в неумелом руководстве и неспособности контролировать бюджет и график. Доверие к ним пошатнулось. В 1987 году был проведен аудит проекта, после чего последовали горячие дебаты по поводу его высокой стоимости, оцениваемой в 4,4 млрд долл. Вложения в коллайдер составляют почти столько же, сколько и вклад NASA в Международную космическую станцию. Однако, в отличие от космической станции, SSC не соответствовал видению Всемирной лаборатории. Националистическая риторика ведущих физиков высоких энергий Соединенных Штатов завоевала благосклонность их правительства, но не понравилась глобальным партнерам, включая Канаду, Японию, Индию и Европу. Дела пошли совсем плохо, и ни одна из стран-партнеров не взяла на себя обязательство финансировать проект, за исключением обещания Индии выделить 50 млн долл.

К 1992 году Соединенные Штаты переживали спад в экономике, а бюджет проекта раздулся до 12 млрд долл. Советский Союз распался, так что, казалось, было мало причин доказывать превосходство США с помощью мегапроектов. Конгресс хотел покончить с новой машиной. Уже было вырыто 22,5 км туннеля, потрачено 3 млрд долл., построены здания для размещения ученых и мастерских. Были наняты две тысячи человек, сотни из которых – ученые, последовавшие замыслу грандиозного проекта и перевезшие свои семьи из разных стран, таких как Япония, Индия и Россия. Они считали, что такой масштабный и уже развивающийся проект не могут отменить. В последнюю минуту вмешался президент Билл Клинтон, попытавшийся спасти коллайдер, и заявил Конгрессу, что, закрыв проект, они положат конец более чем тридцатилетнему успеху фундаментальной науки.

Но ничего нельзя было поделать. Конгресс решил закрыть проект, и 1 октября 1993 года Клинтон с сожалением подписал акт, поставивший крест на мечте. Сверхпроводящий суперколлайдер остался не более чем частично отстроенным туннелем. Можно извлечь много уроков из неудачи SSC, но в моем видении главное тут – понимание того, что Большая наука не националистический инструмент доминирования на мировой арене. Сотрудничающие страны ожидали, что в таких масштабных начинаниях к ним будут относиться как к партнерам, а не как к младшим братьям и сестрам. Будь SSC действительно международной Всемирной лабораторией, как задумывалось изначально, возможно, все сложилось бы по-другому. Позже здания были приобретены химическим производителем Magnablend, и сегодня подземные туннели собирают дождевую воду. Ходят слухи, что некоторые предприниматели используют эти темные влажные помещения для выращивания органических грибов.

Несмотря на кончину своего преемника, Тэватрон все же показал себя замечательным проектом, который проложил путь сверхпроводящим ускорителям по всему миру. В результате последний кварк в Стандартной модели – топ-кварк – был найден. Пока его искали, физики из ЦЕРНа обнаружили тяжелые частицы W– и Z-бозоны, переносчики слабого взаимодействия, которые помогли укрепить Стандартную модель физики элементарных частиц. Наконец, в 2000 году Тэватрон обнаружил тау-нейтрино, завершив список частиц материи в Стандартной модели. Тем не менее все еще не хватало одного кусочка головоломки – бозона Хиггса.

Помимо этого недостающего элемента, теоретики и экспериментаторы оказались на перепутье: теоретики указывали на физику, выходящую за пределы Стандартной модели, а экспериментаторы были готовы исследовать даже самые труднодоступные частицы с помощью больших коллайдеров. Неужели теория всего наконец так близка? Нужен только правильный коллайдер, чтобы это выяснить. Экспериментаторы Тэватрона запустили программу поисков бозона Хиггса в 2001 году, но для многих других фокус переместился за океан, в Европу. В ЦЕРНе была сконструирована машина, основанная на сверхпроводящем наследии Тэватрона. Вот-вот оживет Большой адронный коллайдер.

Глава 12 Большой адронный коллайдер: бозон Хиггса и не только

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

Эванс производит впечатление скромного, доброго и практичного человека[268]. Скромность проявляется и в том, что он редко упоминает свою карьеру в интервью, но его прозвище немного его выдает: «Эванс-атом» – вот сила, стоящая за БАКом. Эванс работает в ЦЕРНе с 1969 года, но его карьера всегда уводила его туда, где требовался его опыт в строительстве коллайдеров все более высоких энергий: от Протонного суперсинхротрона мощностью 300 ГэВ в ЦЕРНе до Тэватрона в Фермилабе и Сверхпроводящего суперколлайдера в Техасе. Когда последний проект отменили, БАК стал будущим физики элементарных частиц, а его воплощение – raison d’être (смыслом жизни) Эванса. «Нет ничего большего, чего мог бы надеяться достичь ученый», – сказал он[269].

Масштаб работы Эванса, который до сих пор испытывает благоговейный трепет каждый раз, когда входит в туннель БАКа[270], невозможно переоценить. Его работа по созданию коллайдера включала в себя надзор за примерно 2500 сотрудниками ЦЕРНа, а также еще 300 учеными и инженерами из России, Китая, Соединенных Штатов и других стран, которые поставляли компоненты для ускорителя. Эванс вспоминает, что, когда он встретился с президентом Китая, про себя он подумал: «Неплохо для парня из Абердэра!»[271]

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Помимо частиц материи, Стандартная модель содержит бозоны, или «переносчики силы». Пока мы оставим гравитацию, поскольку она не включена в Стандартную модель, но остальные три силы – слабое и сильное ядерное взаимодействие и электромагнитная сила – включены. Электромагнитная сила опосредуется фотоном. Сильное взаимодействие, которое связывает кварки, протоны и нейтроны вместе, осуществляется глюонами. Слабое взаимодействие немного отличается: по сравнению с фотонами и глюонами, которые не имеют массы, W– и Z-бозоны, обнаруженные в ЦЕРНе за десятилетия до создания БАКа, на самом деле чрезвычайно тяжелые[272]. Слабое взаимодействие сопровождалось и некоторыми другими тонкостями.

В масштабах высоких энергий (которые, как мы теперь знаем, превышают 246 ГэВ)[273] электромагнитное и слабое взаимодействие на самом деле являются частями одной всеобъемлющей силы – электрослабого взаимодействия. Хотя эти две силы кажутся очень разными в повседневных энергетических масштабах, при очень высоких энергиях, подобных тем, что были вскоре после Большого взрыва (еще до образования кварков), эти две силы смешиваются друг с другом и не могут быть разделены. Это было подтверждено в ЦЕРНе на ускорителе, предшествующему БАКу, – Большом электронно-позитронном коллайдере (LEP – Large Electron Positron collider), который подвергал Стандартную модель интенсивным испытаниям. Это одна из причин, по которой физики иногда называют коллайдеры частиц машинами времени, воссоздающими условия Большого взрыва, поскольку они могут создавать взаимодействия с энергиями, столь же высокими, как те, которые были обнаружены на самых ранних этапах Вселенной. Эксперименты также показали, что существует только три типа нейтрино и, как следствие, существует только три поколения частиц – по крайней мере, насколько нам известно в настоящее время. Стандартная модель казалась донельзя точной. Тем не менее оставалась недостающая деталь: теоретическая частица, которая могла бы придать тяжелым W– и Z-бозонам их массу, известная как бозон Хиггса.

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

Что значит для Вселенной быть заполненной полем Хиггса и что это дает? Прекрасное объяснение[274] данного явления предлагает представить комнату, полную светской элиты на коктейльной вечеринке. Если в комнату войдет обычный человек, он сможет беспрепятственно пройти через помещение. Но представьте, что в комнату входит кто-то известный. Светская элита – поле Хиггса – собирается вокруг знаменитого человека – частицы, замедляя его продвижение по комнате. Известный человек, который сильно замедляется, подобен частице, которой поле Хиггса придает большую массу.

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

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

Чтобы найти бозон Хиггса, потребовалось бы гораздо больше, чем ускорители и детекторы. К эпохе LEP и БАКа – а сейчас разработка проектов занимает так много времени, что мы можем говорить об эпохах – физика элементарных частиц стала сильно отличаться от того, какой она была прежде. Детекторы теперь строились из слоев специализированных субдетекторов, функционирующих подобно гигантским многослойным цифровым камерам с миллионами информационных каналов. Благодаря большему количеству столкновений, чем когда-либо прежде, и большему разрешению для обнаружения обломков в результате столкновений объем данных, полученных в ходе экспериментов, неуклонно рос. Когда LEP начал работать в 1989 году, калибровочные данные быстро превратились в гигабайты, а экспериментальные данные – в терабайты[275]. Сегодня это не кажется таким уж необычным, но в 1989 году стандартный жесткий диск мог хранить всего несколько десятков мегабайт информации. Но куда девать остальные данные? Как сотрудники должны получать к ним доступ?

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

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

Сегодня во всем мире насчитывается более 1,6 миллиарда веб-сайтов и 4,33 миллиарда активных пользователей интернета. Это 57 % от общей численности населения планеты. Среднестатистический пользователь проводит в Сети поразительные шесть с половиной часов каждый день[276]. Хотя интернет (физическая сеть) существовал еще до Сети, на самом деле мы имеем в виду именно Сеть, когда говорим об «использовании интернета».

Невозможно оценить значимость интернета и почти немыслимо представить себе возвращение в эпоху, когда его не было. Со временем общество уже приспособилось к повсеместности его существования, но давайте рассмотрим это явление в контексте. В 2019 году правительство Индии ограничило доступ в интернет в Кашмире в попытке унять общественные протесты. Даже в этом бедном регионе это решение произвело невероятный эффект. Студенты, пытающиеся сдавать онлайн-экзамены, больше не могли получить международную квалификацию, интернет-торговля была разрушена, а фабрики, продающие товары, были отрезаны от покупателей; больницы и аптеки не могли заказывать лекарства для лечения пациентов. Ущерб экономике за девять месяцев, последовавших за введением блэкаута, оценивался в 5,3 млрд долл.[277] при общем ВВП, составляющем около 17 млрд долл. Запрет был немного ослаблен в 2020 году из-за пандемии коронавируса, но на момент написания книги интернет все еще полностью не восстановлен.

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

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

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

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

На тот момент Тэватрон находился на стадии второго запуска, который начался в 2001 году, и был модернизирован с учетом поисков бозона Хиггса. Физики из Фермилаба знали, что они не могут достичь тех же энергий, что и БАК, но они надеялись, что смогут первыми найти «частицу Бога», если ее масса будет чем-то вроде «массы Златовласки»[278]: ни слишком тяжелой (>180 ГэВ) – так как они не смогли бы создать такую частицу, – ни слишком легкой (<140 ГэВ), поскольку частица распадалась бы на боттом-кварки и терялась в шуме. Пока БАК набирал энергию и увеличивалась скорость его столкновений, возможности по поиску бозона Хиггса на Тэватроне тоже не отставали.

Команда Тэватрона яростно работала, анализируя свои данные. К началу 2011 года ученые смогли исключить массы до 103 ГэВ и между 147 и 180 ГэВ с 95-процентной достоверностью. Еще немного, уверяли они, и они найдут бозон Хиггса[279]. Тем не менее на горизонте маячило сокращение бюджета, и в сентябре 2011 года Тэватрону суждено было остановиться. К июлю эксперименты на БАК исключили диапазон от 149 ГэВ до 190 ГэВ, но в сентябре, не имея возможности найти 35 млн долл. в год, необходимых Фермилабу для продолжения работы, Тэватрон отключили. И в конечном итоге Хелен Эдвардс наблюдала за церемонией усыпления гигантской машины, которую она с таким трудом заставила ожить почти три десятилетия назад. Теперь все взоры обратились к БАКу.

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

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

Представители двух основных экспериментов, физики Джозеф Инкандела из Соединенных Штатов, работающий с CMS, и Фабиола Джанотти[280] из Италии, работающая с ATLAS, выступили со своими докладами от имени тысяч ученых. Я была впечатлена уровнем научной детализации, который они предоставили, несмотря на присутствие средств массовой информации. Поскольку каждый из них показывал реконструкцию различных каналов распада бозона Хиггса, у меня голова шла кругом от того, сколько же работы стояло за каждым продемонстрированным графиком и числом.

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

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

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

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

В 2014 году ЦЕРН совместно с ООН отметил шестидесятилетие науки во имя мира. ЦЕРН является примером того, как нации могут работать сообща на благо мирового сообщества. Следуя модели ЦЕРНа, ряд других проектов наладил аналогичное сотрудничество, объединив страны, разделенные глубокими политическими разногласиями. СЕЗАМЕ (Международный центр по использованию синхротронного излучения в научных экспериментах и прикладных исследованиях на Ближнем Востоке), расположенный в Иордании, объединяет Бахрейн, Кипр, Египет, Иран, Израиль, Иорданию, Пакистан, Палестинскую национальную администрацию и Турцию. В юго-восточной Европе сформирована организация SEEIST[281] (от англ. South-East European International Institute for Sustainable Technologies – Международный Юго-Восточный европейский Институт устойчивых технологий) – проект по созданию экономики знаний, который сосредоточен на новом исследовательском центре протонной и углерод-ионной терапии и исследований. ЦЕРН также помог создать и один из моих совместных проектов, STELLA (Умные технологии для продления жизни с помощью линейный ускорителей), где вместе с коллегами в странах Африки к югу от Сахары мы стремимся улучшить доступ к высококачественной онкологической помощи во всем мире, находя технологические решения при нехватке оборудования лучевой терапии.

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

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

Конечно, интернет – не единственная не-физическая технология, полученная в ЦЕРНе. Для новых идей с коммерческим потенциалом существует целая команда по передаче знаний для их развития. Любой желающий может ознакомиться с текущим технологическим портфолио ЦЕРН онлайн[282], и среди примеров можно найти системы программного обеспечения для совместной работы, радиационно-стойкие детекторы, используемые в медицине, и компактные орбитальные фрезы для отрезания огромных кусков труб в полевых условиях. Уникальные требования, предъявляемые к крупным экспериментам ЦЕРНа, постоянно подталкивают промышленность к инновациям, чтобы поставлять самые современные компоненты. В ходе опроса 75 % поставщиков ЦЕРНа отметили, что они увеличили свой потенциал для внедрения инноваций благодаря заключению контрактов с организацией. Они также говорят об «эффекте ЦЕРНа», при котором каждый доллар стоимости контракта, заключенного с ЦЕРНом на поставку, обеспечивает увеличение товарооборота компании на 4 доллара[283].

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

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

Такой сдвиг в сторону общих ресурсов стал повседневным явлением. Компании по всему миру используют тот же подход к созданию больших хранилищ данных, или облаков, где хранятся данные и где они доступны на удаленных серверах, а не на вашем личном компьютере. Если вы используете облачные сервисы, такие как Google Docs, Dropbox или другие, все они построены похожим образом. Разница между коммерческими облачными системами и грид-системой заключается в том, где именно хранятся данные. Грид-вычисления предполагают хранение данных и распределение вычислительной мощности среди множества разных компьютеров вместо использования для этого корпоративных облачных хранилищ. Сегодня пользователи все больше расстраиваются из-за того, что их данные хранятся в отдельных компаниях: вспомните проприетарные форматы Microsoft.docx или. xlxs или музыкальные коллекции Apple iTunes. Однако аспекты грид-технологии все чаще используются в качестве решения проблем облачных вычислений. Ключевой целью здесь является интероперабельность: возможность открытого переноса между системами[284]. Она очень соответствует духу ЦЕРНа и тому, как Бернерс-Ли видел будущее Сети. Своего рода оптимальная облачная-грид система может в конечном итоге помочь и физикам элементарных частиц: она поможет преодолеть ограничения по размеру облачных систем и даст физикам возможность просто использовать благоустроенную общественную инфраструктуру.

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

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

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

Это факт, что большинство людей с докторской степенью по физике в конечном итоге оставляют академические исследования. Отчет, в котором были опрошены 2700 бывших исследователей ЦЕРНа, показал, что 63 % из них теперь работают в частном секторе в таких областях, как передовые технологии, финансы и информационные технологии. Их навыки чрезвычайно востребованы в этих секторах: навыки решения проблем, программирования, крупномасштабного анализа данных, научной коммуникации и международного сотрудничества. Только в Великобритании ощущается нехватка так называемых STEM (наука, технология, инженерия и математика – от англ. Science, Technology, Engineering and Maths) в 173 тысячи человек, несмотря на то что Великобритания имеет репутацию мирового лидера в области науки и техники[285]. Потребность в такого рода талантах будет только расти.

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

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

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

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

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

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

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

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

Однако не думайте, что мы просто углубляемся в детали и что путешествие физики почти подошло к концу и все важные явления уже открыты. Несомненно, до этого еще далеко. Еще раз – мы должны обратить внимание на пробелы в наших знаниях. Несмотря на невероятный успех Стандартной модели, наши уравнения не могут согласовать гравитацию со всеми другими силами. Мы не знаем, существует ли одна Вселенная или мы живем в так называемой мультивселенной. Известно, что нейтрино имеют массу и могут менять форму, но никто не знает, почему[286]. Мы не знаем, почему нас окружает вещество, а не антивещество. Мы не знаем природы темной материи, которая пронизывает нашу Вселенную. Во многих отношениях бозон Хиггса – это только начало.

Глава 13 Будущие эксперименты

Каждый год около 1500 физиков и инженеров собираются на Международной конференции по ускорителям частиц, чтобы поделиться своей работой. Их проекты варьируют от коллайдеров длиной 100 км до мельчайших промышленных ускорителей. Каждый год выбирается новое место проведения конференции: Азия, Северная и Южная Америка или Европа, – но в мае 2019 года она впервые была проведена в Мельбурне, Австралия. Я имела честь представить вступительный доклад на пленарном заседании.

Перед конференцией я долго не могла придумать, что сказать. Дело было не в размере аудитории: я выступала и перед большими группами и знала, как справиться с нервами. Скорее, меня пугал внушающий опыт аудитории. Это был, безусловно, самый важный доклад, с которым меня когда-либо просили выступить в моей собственной области. Я могла бы последовать примеру того, как выступали другие, и представить экспертный обзор состояния нашей области с большим количеством технических подробностей об ускорителях частиц. И все же каким-то образом, когда я села писать речь, получилось нечто совершенно иное.

Сначала я начала писать просто для того, чтобы выбросить мысли из головы. Я писала не о физике как таковой, а о более человеческих аспектах нашей области: о совместной работе, о том, как именно мы достигли сегодняшних успехов, и об извлеченных уроках. Я писала об исследовательской культуре и о том, как мы должны работать вместе для решения проблем, с которыми столкнемся в будущем. Постепенно я осознавала, что не стану переписывать свое выступление. Это был огромный профессиональный риск. Физики на конференциях говорят о науке, а не о людях. Что, если я потеряю уважение своего сообщества, отодвинув свой опыт на второй план и поставив во главу углу эту историю? Как недавно нанятый преподаватель, я очень многое ставила на кон.

В день презентации я нервно заняла свое место в передней части зала, поприветствовала министра местного самоуправления и стала ждать, пока меня представит спикер конференции. Мои слайды уже были загружены. Я закрыла глаза и сосредоточилась на своем дыхании. Когда настал момент, я поднялась на сцену и повернулась лицом к зрителям. В ярком свете ламп я могла видеть своих коллег из Европы, Японии, Соединенных Штатов и Австралии, директоров лабораторий, которых я знала только по слухам, и коллег, с которыми не единожды проводила полночную смену за пиццей. Где-то там были и мои новые студенты из Мельбурнского университета, которые никогда раньше не слышали, как я выступаю. Я сделала глубокий вдох и начала.

Я рассказала о том, что узнала в этом путешествии по двенадцати экспериментам. Организаторы попросили меня рассказать о наших прошлых достижениях, а также о том, куда нас может завести будущее. Итак, я начала со своих мыслей о нашем нынешнем положении в этом вдохновляющем, масштабном, вселенском путешествии познания нашего мира.

Я не могу не провести параллели между тем, с чего мы начали это путешествие в конце XIX века, и тем, где мы находимся в области физики элементарных частиц, вступая в третье десятилетие XXI века. Возможно, мы находимся на пороге периода преобразований, столь же грандиозных, как открытие ядра, электрона и всего субатомного и квантового мира. Нас может ждать новая версия Рентгена XXI века, увидевшего зеленое мерцание на экране в своей лаборатории, или Резерфорда, изумленного тем, что частицы отскакивают от тонкой золотой фольги. Эти удивительные открытия, конечно, теперь появятся среди массивов данных на компьютере, а не в виде вспышки на экране, но суть та же. Мы ищем что-то, что заставит нас сказать: «Хм… как странно». Но мы не можем просто ждать, пока эти открытия появятся сами по себе.

Открытия никогда не случайны. Люди делают открытия. Только поддерживая тех, кто хочет отправиться к границе непознанного и провести эксперименты, мы сможем достичь следующего этапа в нашем понимании мира. К счастью, это путешествие уже идет полным ходом. Тысячи ученых по всему миру, в том числе многие из тех, кто присутствовал на моем выступлении, уже планируют, проводят и совершенствуют эксперименты, как малые, так и большие. Любопытство подводит их к самому краю того, что технологически возможно, и за его пределы.

Профессор Даниэла Бортолетто, глава кафедры физики элементарных частиц в Оксфорде, кратко описывает состояние своей области исследований: «Частицы Стандартной модели составляют лишь около 5 % от содержания материи и энергии во Вселенной. Оставшиеся 95 % Вселенной приходятся на то, чего мы не знаем: на темную материю и темную энергию. Поскольку у нас нет никаких экспериментальных доказательств, указывающих на происхождение темного сектора, я считаю, что лучший способ добиться прогресса – это тщательно исследовать бозон Хиггса».

Выясняя природу бозона Хиггса, Бортолетто и ее коллеги пытаются понять, нарушает ли бозон Хиггса известные законы физики. Возможно, существует много различных частиц Хиггса, которые действуют странным образом. Если они есть или если бозон Хиггса распадается или взаимодействует неожиданным образом, мы обнаружим недочет, или пробел в знаниях, лежащий в основе Стандартной модели.

Физики больше не задаются вопросом, существует ли темная материя (мы думаем, что существует), – вопрос в том, какова ее природа. В то время как прогресс требует как теории, так и эксперимента, темная материя представляет собой уникальную экспериментальную проблему. Нет недостатка в теориях, которые могут описать темную материю, но единственное, что мы знаем о ней наверняка, так это то, что она ни с чем не взаимодействует. Мы могли бы обнаружить темную материю, рассматривая ее неспособность взаимодействовать как «недостающую энергию» либо на БАКе, либо на будущих коллайдерах. В чем-то это напоминает то, как тайна бета-распада привела нас к нейтрино, но в поисках нейтрино физики руководствовались теорией, которая помогла экспериментаторам найти частицу, а у нас нет теории для темной материи, мы руководствуемся только экспериментальными данными. Поскольку 95 % массы Вселенной все еще не обнаружено, ставки как никогда высоки.

Для исследования этих вопросов требуется «фабрика бозонов Хиггса» – новый коллайдер, который сможет производить тысячи и тысячи бозонов Хиггса, наряду с изобретением нового поколения точнейших детекторов частиц, на чем и сосредоточена Бортолетто. БАК не может дать все ответы относительно истинной природы бозонов Хиггса, поэтому почти все согласны с тем, что фабрика бозонов Хиггса должна быть высокоэнергетическим электрон-позитронным коллайдером с энергией столкновения, максимально близкой к 1 Тэ В. Что еще не согласовано, так это форма машины – линейная или циклическая – и то, на какой технологии она будет основана. Скорее всего, только один электрон-позитронный коллайдер станет именно фабрикой бозонов Хиггса, поэтому мы должны выбрать, на базе какого ускорителя она в итоге появится.

Международный линейный коллайдер (ILC) длиной 30 км готовится к строительству в Японии, если правительства согласятся его поддержать – «предлабораторный» этап был утвержден в 2021 году. Еще один вариант – компактный линейный коллайдер, над созданием которого ЦЕРН работает уже 20 лет[287]. Эти два проекта уже работают вместе в рамках сотрудничества Linear Collider Collaboration, которым теперь руководит бывший руководитель проекта БАК Лин Эванс. В качестве альтернативы следующей большой машиной может быть кольцевой ускоритель диаметром 100 км, рассматриваемый в ЦЕРНе (Будущий кольцевой коллайдер, FCC – Future Circular Collider) и в Китае (Кольцевой электрон-позитронный коллайдер, CEPC–Circular Electron Positron Collider), где в дополнение к высокоэнергетическим электрон-позитронным столкновениям высокоэнергетические лучи ежедневно будут выбрасывать 50 МВт нежелательного синхротронного излучения – как мы видели в главе 7, – когда они будут проноситься по кольцу. Мы должны спроектировать и подготовить эти коллайдеры сейчас, чтобы один из них был готов к завершению работы БАКа примерно в 2036 году.

Директор Института ускорительной физики имени Джона Адамса профессор Филип Берроуз считает, что линейная версия, и в частности ILC, является наиболее зрелой конструкцией и, скорее всего, приведет нас к фабрике бозонов Хиггса как можно скорее. В отличие от кольцевой конструкции, линейный коллайдер может быть модернизирован в будущем просто за счет увеличения его длины. Это повлияет на энергетический охват коллайдера, если начнут появляться частицы темной материи, суперсимметричные частицы – из теории, которая предсказывает, что все частицы материи имеют более тяжелого «суперсимметричного» партнера, – или другие частицы, выходящие за рамки Стандартной модели. Бортолетто тем временем отмечает, что вариант линейного коллайдера не позволит впоследствии перейти на протон-протонный коллайдер, в то время как инвестиции в кольцевой туннель означают, что его можно использовать повторно, точно так же, как БАК повторно использовал туннель LEP. Окончательное решение будет зависеть не только от физики, но и от политики, бюджета и сотрудничества. Какой бы из коллайдеров ни был построен, Бортолетто и Берроуз (или, возможно, уже их ученики) будут готовы взяться за работу.

В долгосрочной перспективе достижение все более высоких энергий зависит от увеличения размеров ускорителей частиц, несмотря на улучшение технологий сверхпроводящих магнитов и радиочастотной технологии. В то время как некоторые исследователи предлагают проводить эксперименты на Луне или в космосе, прорыв в области физики плазмы может уменьшить размеры ускорителей по крайней мере в тысячу раз. Материалы, из которых мы изготавливаем радиочастотные резонаторы ускорителей – медь и сверхпроводящие материалы, – могут выдерживать только определенную напряженность электрического поля, прежде чем они начнут искрить или разрушаться. Это устанавливает физический предел тому, насколько сильно мы можем толкать частицы, что, в свою очередь, определяет общую длину ускорителя. Команды моих коллег из Оксфорда и Имперского колледжа Лондона, наряду со многими другими по всему миру, пытаются создать новые плазменные ускорители.

Идея состоит в том, чтобы использовать мощный лазер – или даже другой пучок частиц[288] – для генерации плазмы, состояния вещества, в котором атомы уже ионизированы. Плазма может выдерживать огромные электрические поля, по которым могут перемещаться электроны или другие частицы и получать энергию. Подобный ускоритель был уже успешно продемонстрирован в лаборатории, но он еще не совсем готов для проведения экспериментов по физике элементарных частиц. На то, чтобы научиться контролировать и вызывать высокоэнергетический луч, потребуется еще несколько лет.

Хотя для плазменных ускорителей еще рано, они определенно захватывают дух. Я всегда говорю своим студентам, что как только плазменные ускорители будут достаточно усовершенствованы, я с радостью покину этот корабль и возьмусь за их разработку. Я полагаю, что они, скорее всего, будут использоваться в тандеме с нашими более традиционными технологиями, а не в качестве замены, поэтому я уже думаю, как их объединить.

Открытия ни в коем случае не откладываются, пока мы изобретаем будущие коллайдеры. БАК продолжает предоставлять все больше и больше данных. Мы уже знаем, что Стандартная модель по своей сути ошибочна: она не включает в себя гравитацию. А также не может объяснить, почему во Вселенной больше вещества, чем антивещества. Она не включает в себя темную материю или темную энергию. И не объясняет, почему нейтрино имеют массу. Здесь должно быть что-то большее.

Мои коллеги на Международной конференции по ускорителям частиц хорошо знали все эти проекты. Вот почему я решила поговорить о том, как наша область не только расширила знания в области физики элементарных частиц, но и привела к изменениям в обществе. Двенадцать экспериментов, которые мы видели в этой книге, учат нас тому, как действовать дальше.

Истории Брукхейвена, Фермилаба и ЦЕРНа, а также поиски знаний о невидимой реальности материи и сил могут дать нам представление о том, как справиться с тем неизвестным, что поджидает нас в настоящем и будущем.

Когда я спросила своих коллег, чему, по их мнению, общество может научиться по опыту физики элементарных частиц, я ожидала получить самые разные ответы. Но я ошибалась, все сказали одно и то же: научиться сотрудничать. Такие сложные начинания, как физика элементарных частиц, побуждают нас к инновациям, к попыткам создать порядок, понять окружающий нас мир, накопить знания и мудрость. Все сводится к тому, что мы, похоже, вынуждены постоянно шагать в неизвестность. Мы стремимся к большему, к лучшему, и, хотя наши физические ресурсы могут быть ограничены, человеческая способность генерировать новые идеи практически необъятна. Именно благодаря сотрудничеству и новым методам работы мы можем реализовать этот потенциал и поощрять творчество, как никогда раньше.

Когда я пытаюсь ответить на вопрос о том, что делает наш мир «современным», в первую очередь я думаю об огромном прогрессе, достигнутом обществом почти по всем направлениям. Новые изобретения привели к повышению производительности труда, так что товары стали менее дефицитными. Рост привел к положительной динамике экономики. На Земле стало больше людей, и они живут лучшей жизнью, чем когда-либо прежде. Все больше людей получают образование и становятся грамотными. В 1930 году только 30 % людей старше пятнадцати лет умели читать и писать, сейчас этот показатель составляет 86 % во всем мире. С 1990 года в среднем каждый день 130 тысяч человек выходили из-за границ бедности, даже при постоянном росте населения. Тем не менее, несмотря на огромный прогресс, достигнутый за последнее столетие, на сегодняшний день девять из десяти опрошенных не считают, что наш мир становится лучше[289]. И, возможно, они правы.

Мы сталкиваемся с беспрецедентными трудностями: изменения климата, находящееся под угрозой биоразнообразие, нехватка воды, потребности в энергии, старение населения и, конечно же, пандемии и инфекционные заболевания. При таких постоянных угрозах нашему существованию нам не стоит принимать нынешнее долголетие как должное, потому что нет никакой гарантии, что мы будем жить дольше и лучше, чем наши предки.

Я настроена оптимистично. Я верю, что мы преодолеем проблемы, с которыми сталкиваемся как биологический вид, с помощью инновационных решений, и именно поэтому я считаю крайне важным понимание процесса, благодаря которому мы получаем новые знания. Если такая эзотерически звучащая тема, как физика элементарных частиц, так сильно изменила наш мир, наверняка есть много других областей исследований – не только в науке, но и в прочих сферах, – которые мы также упустили из виду. Исследования, движимые любопытством, – это именно тот вид деятельности, который может изменить наше будущее так, как мы пока не можем себе представить. Сейчас более, чем когда-либо, настало время вместе работать на благо человечества.

Оглядываясь на эти двенадцать экспериментов, я вижу, что, помимо сотрудничества, есть еще три ключевых ингредиента, которые нам нужны, чтобы противостоять вызовам будущего: умение задавать хорошие вопросы, культура любопытства и свобода упорствовать. Нам нужно лишь задать правильный вопрос, в нужном контексте и в нужное время. Главное, чтобы эти вопросы оставляли пространство для мысли о том, что мы можем ошибаться и отбрасывать наши предубеждения. Независимо от того, насколько хорошо нам служит та или иная идея, наши вопросы должны быть сформулированы таким образом, чтобы мы могли поменять свое мнение. Джей Джей Томсон не спрашивал, существует ли электрон, а затем не отвечал «нет», когда его первые эксперименты привели к результатам, не соответствующим его гипотезе. Хороший вопрос должен проникать в самое сердце неизвестного. Хорошие вопросы – например, «Какова истинная природа катодных лучей?» – как правило, порождают множество более мелких вопросов, таких как «Изгибаются ли катодные лучи в электрическом поле?» Задавать эти мелкие вопросы очень важно. На самом деле, именно они и привели Томсона к тому несоответствию, которое указало дальнейший путь. Только задав все небольшие вопросы, он смог найти ответ на главный вопрос. Результатом стало открытие электрона.

Важно и то, что нам не обязательно отвечать на все вопросы, которые мы задаем. На некоторые из них, возможно, не будет ответа еще столетия. И все же хорошие вопросы становятся мощными мотиваторами: несмотря на все наши удивительные достижения в понимании природы материи и сил, не ответы заставляют нас двигаться вперед, а вопросы.

Среда, в которой мы задаем эти вопросы, не менее важна. Мы видели, как любопытство может привести к замечательным прорывам, но как выглядит культура, поддерживающая такое любопытство? Она похожа на мозговой штурм, на котором допускаются добавления к идее, но нет никакой критики. Отчасти это похоже на ситуацию, когда один из моих аспирантов, вдохновившись видео на YouTube о проектировании американских горок с использованием искусственного интеллекта, захотел сделать то же самое с ускорителями частиц – и я искренне поощрила его. Зарождающиеся идеи сначала нуждаются в поддержке. Уилсон не пытался изобрести детектор частиц, Рентген не пытался произвести революцию в медицине, а ЦЕРН не ставил перед собой задачу изобрести Всемирную паутину. Все это стало возможным только потому, что они работали в культуре, которая поддерживала человеческое любопытство.

Внедрить эту культуру очень сложно. Учитывая наши цели, задачи, планы, акционеров, отчеты и сроки, у кого есть на нее время? Но она того стоит. Акт поиска знаний открывает более впечатляющие пейзажи, когда перед нами не маячит пункт назначения.

Наконец, мы должны предоставить себе – под этим я подразумеваю отдельных людей, команды, общество, человечество – свободу упорствовать в наших начинаниях. Чтобы собрать воедино Стандартную модель, пришлось преодолеть множество фальстартов, большую путаницу и удручающе медленное накопления знаний. Делать что-либо в первый раз невероятно сложно. Но делать что-то в первый раз, когда это понимает лишь горстка других людей, еще труднее. Когда я говорю, что нам нужно культивировать свободу упорствовать, я говорю не только о силе воли и терпеливости. Я говорю о таких осязаемых понятиях, как время, пространство и ресурсы.

Нам нужно создавать среду, в которой люди могли бы следовать своему любопытству, идти на интеллектуальный риск и процветать. Мы находимся на пороге больших возможностей. Если мы сможем научиться ценить творческую природу науки, развивать любознательность, интеллектуальную глубину и широту как в самих себе, так и в окружающих нас молодых людях, я не сомневаюсь, что мы сможем справиться с тем, что ждет нас впереди. Однако в одном важном отношении мы этого не делаем.

В этой книге мы видели, пример за примером, как наше понимание некоторых наиболее фундаментальных положений физики привело к ощутимым результатам. Зная это, было бы легко принять решение о финансировании исследований, исходя из их потенциальной отдачи. Многие правительства идут на это, по крайней мере частично, но они часто ориентированы на быстрые результаты. В такой области, как физика элементарных частиц, которая оказала огромное влияние на общество совершенно непредсказуемыми способами, в масштабах, непостижимых большинству политиков, нельзя полагаться на быструю выгоду.

Если бы в физике превалировала ориентация на быстрые результаты, лаборатория Резерфорда никогда бы не существовала, а предложение Роберта Уилсона о создании Тэватрона никогда бы не получило одобрения Конгресса. Сам Питер Хиггс однажды сказал, что при нынешней академической системе у него попросту не было бы работы[290], поскольку он не написал достаточно статей. В современной системе он был бы исключен из сообщества еще и потому, что не стремился оказать влияние на реальный мир в краткосрочной перспективе. Сегодня ценится сверхпроизводительность, подотчетность и коммерческая прибыль. Хотя кажется невежливым говорить о любопытстве и деньгах в одном контексте, если мы хотим совершать большие прорывы в будущем, нам понадобятся деньги.

Свобода упорства требует от нас признания той роли, которую движимые любопытством исследования играют в нашем обществе. Это глубокий сдвиг в том, как мы смотрим на ценность науки. На самом деле, я бы утверждала, что это даже то, как мы думаем о ценности исследований в целом. Люди – это, как говорит Ханна Арендт, жаждущие познания существа. Как мы неоднократно видели, человек, который делает открытие, возможно, хуже всех знает, где оно будет применяться или что из него получится. Мы должны поддерживать жажду познания и любопытство потому, что они способствуют нашему процветанию как людей, а не потому, что они могут улучшить экономическое положение страны или повысить эффективность солнечных батарей еще на полпроцента – хотя в конечном итоге открытия могут повлиять и на это. Давайте не будем упускать из виду идеи, потому что мы не смогли сразу же увидеть их ценность.

Когда я выступала в тот день в Мельбурне, я затронула многие из этих вопросов. Честно говоря, я не помню, как уходила со сцены или что говорили следующие несколько ораторов. Когда наступил перерыв, я попыталась добраться до стойки с кофе, но каждые несколько метров кто-нибудь появлялся, сияя, и развивал различные фрагменты моего выступления.

Некоторых из этих людей я знала, большинство – нет. Председатель комитета нашел меня позже в тот же день и с радостью поведал о многих разговорах, на которые побудило мое выступление.

За трудные годы исследований я узнала нечто гораздо большее, чем просто физику. Я научилась следовать своему любопытству и шагать в неизвестность, задавать правильные вопросы и настойчиво преодолевать многочисленные препятствия. Когда я передала это понимание своему сообществу, то увидела, как коллеги подбадривают меня. Вот то, чего я даже не осознавала, чего мне не хватало: чувство принадлежности.

Измученная конференцией, я решила оставить толпу и направилась в свой отдел. Подвальное помещение встретило меня молчанием, мои шаги эхом отдавались по бетонному коридору, когда я проходила мимо фрески с изображением Большого взрыва к ряду деревянных дверей. Я провела своим новеньким университетским удостоверением по считывателю карт, толкнула дверь и вошла.

Миновав раздвинутые столы и картонные коробки, я оказалась в своей новой лаборатории. Стены сделаны из бетонных блоков, достаточно толстых, чтобы защитить внешний мир от лучей частиц, которые здесь создавались и будут создаваться снова. У меня большие планы на эту лабораторию. Я уже представляю себе обустроенное пространство: белые стены, мигающие огни безопасности, желтые предупреждающие знаки, черные кабели и медные ускоряющие конструкции. Вижу студентов, сотрудников и коллег – мое племя, – занятых работой.

Вопросы, которые я задаю сейчас, касаются физики ускорителей частиц, где потребности физиков, с одной стороны, и медицины и промышленности – с другой вновь приводят меня к чертежной доске, к точке, где сталкиваются физика и изобретение. Мой разум полон вопросов о физике пучков и их вихреподобном нелинейном танце, состоящем из колебаний и электромагнитных взаимодействий. Позже мы перейдем к вопросам инженерии, стоимости и реализации, но сейчас мое любопытство увлечено только взаимодействием крошечного, невидимого мира частиц и его связью с идеями, которые могли бы сделать нашу жизнь лучше, пускай и в далеком будущем. Вот моя маленькая ниша в огромном спектре физики, в науке, в человеческом путешествии исследований и знаний.

Эксперименты, направленные на понимание материи и сил, продолжаются сотни лет, и наше нынешнее понимание опирается на тысячи, возможно, десятки тысяч экспериментов. В нашем путешествии по страницам этой книги мы затронули лишь некоторые из них. Эти эксперименты сформировали наше видение Вселенной, создали многие технологии, которые мы используем каждый день, и поставили во главу угла сотрудничество на благо будущего.

Здесь, в моей новой лаборатории, я стою на пороге разговора с неизвестным, благодарная за то, что у меня есть время и пространство, в которых может состояться этот разговор. Я знаю, что в этой лаборатории неудачи и разочарования будут соседствовать с успехом. Потребуется немало энергии, любопытства и творчества, чтобы превратить это пространство из оболочки бетонных блоков в источник новых знаний, но я также знаю, что не хотела бы вкладывать эту энергию ни во что другое.

Я не могу обещать, что мы изменим мир, но, по крайней мере, мы знаем, в каком направлении двигаться. По одному эксперименту за раз.