Почему мы существуем? Величайшая из когда-либо рассказанных историй - Лоуренс Краусс

Протоны имеют большую массу и, следовательно, большую энергию покоя, поэтому их проще разогнать до высоких энергий. В 1976 г. в ЦЕРН в Женеве был запущен Протонный суперсинхротрон (SPS) – традиционный ускоритель с фиксированной мишенью, работающий с протонным пучком с энергией 400 ГэВ. Однако к моменту его пуска на другом ускорителе в лаборатории имени Ферми возле Чикаго были уже получены протонные пучки с энергией 500 ГэВ. В июне того же года физики Карло Руббиа, Питер Макинтайр и Дэвид Клайн выдвинули на конференции по нейтрино смелое предложение: превратить SPS в машину для столкновений протонов с их античастицами – антипротонами, что потенциально должно было позволить ЦЕРН получить W- и Z-частицы.

Их дерзкая идея состояла в том, чтобы использовать один и тот же кольцевой туннель для ускорения протонов в одном направлении и антипротонов – в другом. Поскольку эти две частицы имеют противоположные электрические заряды, один и тот же ускоряющий механизм будет оказывать на них противоположное действие. Таким образом, на одном ускорителе принципиально возможно получить два высокоэнергетических пучка, циркулирующих по кольцу в противоположных направлениях.

Логика такого предложения была достаточно прозрачна, но с ее воплощением дело обстояло намного хуже. Прежде всего, учитывая силу слабого взаимодействия, для получения даже нескольких W- и Z-частиц потребовалось бы столкновение сотен миллиардов пар протонов и антипротонов. Но никому еще не удавалось получить и собрать достаточно антипротонов, чтобы сформировать из них пучок в ускорителе.

Далее, вам, наверное, представляется, что если два пучка движутся по одному и тому же туннелю в противоположных направлениях, то частицы в них будут сталкиваться друг с другом на всем протяжении туннеля, а не в детекторах, специально разработанных для регистрации и измерения характеристик продуктов столкновений. Однако на самом деле все обстояло совершенно не так. Сечение даже небольшого туннеля в сравнении с размером области, в которой протон и антипротон могут столкнуться, выглядит настолько огромным, что возникла обратная проблема. Казалось невозможным получить достаточно антипротонов и обеспечить, чтобы они и протоны во встречном пучке были достаточно сжаты, чтобы при сведении обоих пучков, направляемых мощными магнитами, наблюдались бы хоть какие-то столкновения.

Убедить директорат ЦЕРН переделать один из самых мощных в мире ускорителей, построенный в кольцевом туннеле длиной почти восемь километров на французско-швейцарской границе, в коллайдер нового типа было бы трудной задачей для большинства людей, но Карло Руббиа – воплощение харизматичной стихии – был на это вполне способен. Мало кто из тех, кто умудрился встать на пути Руббиа, не пожалел об этом впоследствии. На протяжении восемнадцати лет он еженедельно летал между ЦЕРН и Гарвардом, где был профессором. Его кабинет располагался двумя этажами ниже моего, но я всегда знал, когда он находился в городе, потому что мне его было слышно. Помимо того, что идея Руббиа была хороша, пробивая ее, он, по существу, предлагал ЦЕРН превратить SPS из отстающей машины в самый впечатляющий ускоритель мира. Шелдон Глэшоу сказал директорату Центра, побуждая их двигаться вперед: «Вы хотите ходить не спеша – или вы хотите летать?»

И все же, чтобы летать, нужны крылья, и разработка нового метода создания, хранения, разгона и фокусировки пучка антипротонов выпала на долю блестящего физика-ускорительщика из ЦЕРН Симона ван дер Мера. Его метод был настолько хитроумен, что многие физики, впервые услышав о нем, думали, что он нарушает некоторые фундаментальные принципы термодинамики. Характеристики частиц в пучке должны были измеряться в одном месте кольцевого туннеля, после чего на магниты дальше по туннелю поступал сигнал дать множество мелких корректирующих толчков пролетающим частицам пучка, слегка меняя таким образом энергии и импульсы попутных частиц, чтобы все они в итоге сфокусировались в узкий пучок. Этот метод, получивший название стохастического охлаждения, помогал добиться того, чтобы частицы, слегка отклонившиеся от центральной оси пучка, направлялись бы обратно в его середину.

Совместными усилиями ван дер Мер и Руббиа упорно проталкивали проект, и к 1981 г. коллайдер уже работал, как и планировалось, а Руббиа собрал крупнейшую физическую коллаборацию в истории и построил большой детектор, способный разобраться в миллиардах столкновений протонов с антипротонами в поисках горстки возможных W- и Z-частиц. Однако команда Руббиа была не единственной, кто занимался охотой на эти частицы. В ЦЕРН была собрана еще одна коллаборация и построен еще один детектор. В таких важных экспериментах избыточность представлялась вполне уместной.

Отыскать нужный сигнал среди необъятного фона в этих экспериментах было непросто. Не забывайте, что протоны состоят не из одного кварка и в единичном столкновении протона с антипротоном может произойти множество разных вещей. Более того, ни W-, ни Z-частицы нельзя наблюдать непосредственно, а только по продуктам их распада, в случае W-бозона это электроны и нейтрино. Нейтрино тоже невозможно наблюдать непосредственно. Экспериментаторам следовало суммировать полную энергию и импульс всех исходящих частиц в каждом перспективном событии и искать случаи с большим количеством «пропавшей энергии» – это сигнализировало бы об образовании нейтрино.

К декабрю 1982 г. Руббиа и его коллегам удалось пронаблюдать событие, которое можно было считать кандидатом на обнаружение W-частицы. Руббиа не терпелось опубликовать статью на базе этого единственного события, но его коллеги были осторожнее, и не без оснований. За Руббиа числилась целая серия открытий, которые впоследствии не всегда находили подтверждение. Но пока суд да дело, он по секрету сообщил подробности полученных результатов коллегам по всему миру.

За несколько следующих недель его команда UA1 получила свидетельства еще пяти событий – кандидатов на обнаружение W-бозона, а физики его коллаборации разработали несколько куда более строгих тестов, позволявших надежно подтвердить реальность этих кандидатов. 20 января 1983 г. Руббиа провел в ЦЕРН блестящий и надолго запомнившийся семинар, где и представил полученные результаты. Ему аплодировали стоя, что ясно показывало: полученные данные убедили физическое сообщество. Через несколько дней Руббиа подал в журнал Physics Letters статью, в которой объявил об обнаружении шести W-событий. W-частица была обнаружена, и масса ее в точности соответствовала предсказанной.

Однако поиск на этом не закончился. Предстояло еще обнаружить Z-бозон. Предсказанная для нее масса была немного больше, чем у W-бозона, а потому получить ее сигнал было немного сложнее. Тем не менее примерно через месяц после объявления об открытии W-бозона оба эксперимента начали поставлять данные о Z-событиях, и на базе одного такого четкого события 27 мая того же года Руббиа объявил об открытии Z-частицы.

Калибровочные бозоны электрослабой модели были найдены. Значение этих открытий для укрепления эмпирической базы Стандартной модели лишний раз подчеркнуто тем, что чуть более чем через год после объявления об этих открытиях Руббиа и его коллега по ускорителю ван дер Мер были удостоены Нобелевской премии по физике. Хотя в строительстве и эксплуатации ускорителя и детекторов участвовало огромное количество людей, мало кто осмелился бы отрицать, что без упорства и настойчивости Руббиа и без хитроумного изобретения ван дер Мера это открытие было бы невозможно.