Пол Хэлперн - Коллайдер
Не все решения, который Вильсон принимал в погоне за сокращением расходов, шли на пользу. Делая упор на одних структурных элементах в ущерб другим и без оглядки на установку в целом, он поставил под удар весь проект. Вильсон давно сбросил с повестки дня замену магнитов, поэтому они были приварены прямо поверх трубы основного кольца, в котором должны были циркулировать частицы53. Но лето в Иллинойсе сырое, тоннель был не защищен - и магниты из-за высокой влажности начали приходить в негодность. Представьте ужас преданных науке исследователей, которые с минуты на минуту ждут открытия, когда прямо перед первым пуском ускорителя магниты один за другим выходят из строя, а менять их - целая эпопея. К счастью, квалифицированные экспериментаторы быстро взяли ситуацию под контроль и разрешили проблему.
Если магниты Вильсон закрепил на славу, то в отношении помещений, где физики будут проводить измерения, он придерживался противоположной точки зрения. Чтобы сэкономить средства и повысить мобильность, он решил делать измерительные лаборатории на временной основе, по примеру муравейника. Но вскоре до него дошли слухи, что сотрудники от таких мимолетных кабинетов не в восторге. Сам Вильсон отмечал: «Эти полевые лаборатории действительно сколочены на скорую руку… Старшее поколение даже советует своим молодым коллегам: “Оставь надежду всяк сюда входящий!” Боюсь, в таком развитии событий виноват я один. Опасаясь потерять хотя бы один цент, я мечтал вообще не возводить (и не выкапывать) никакого здания. Моя идея состояла в следующем. Когда начнется эксперимент, мы всего лишь в чистом поле около конца одного из протонных тоннелей очертим столько места, сколько нам нужно, и забьем стальные шпунтовые сваи…, до какой надо глубины… Экспериментальное оборудование спустим на роскошный гравийный пил, а сверху поставим временную стальную крышу, посыпанную толстым слоем земли… Просто и недорого, ведь так? До сих пор не могу понять, почему сотрудники перестали со мной разговаривать.
Полевые лаборатории, венчающие тоннели, удаленные от основного 6,5-километрового синхротронного кольца, Вильсон окрестил «протонными подземельями». Другие места служили для исследования мезонов и нейтрино. Гордостью Вильсона была 4,5-метровая пузырьковая камера, которую физик из Беркли Пол Эрнандес считал «жемчужиной в короне»55 ускорителя.
Большая европейская пузырьковая камера - прибор для отслеживания частиц. Экспонат музея «Микрокосм» (ЦЕРН).
Пузырьковая камера состоит из огромного контейнера с жидким водородом, окруженного направляющим магнитом невероятных размеров. Когда протоны сталкиваются, магнитное поле заставляет двигаться их осколки через жидкость по закручивающимся траекториям. Вдоль них водород вскипает, вычерчивая перед экспериментаторами трек, который можно сфотографировать и по его форме определить свойства частиц. На разноименные заряды магнитное поле действует в разные стороны, поэтому положительно и отрицательно заряженные частицы будут закручиваться в противоположных направлениях.
Другие детекторы, широко применяемые в физике высоких энергий, - это сцинтилляционные счетчики, фотоумножители, черенковские детекторы, калориметры, искровые и дрейфовые камеры. Одним прибором не обойтись, нужен целый спектр измерительных приборов. Все потому, что главная задача эксперимента - за короткое время собрать как можно больше информации. Многие частицы, едва родившись, тут же оканчивают свою короткую жизнь и распадаются. Иногда единственное, что говорит о произошедшем событии, - это дисбаланс энергии, импульса или других сохраняющихся величин. Как полицейские на месте преступления, физики, чтобы вычислить подозреваемых, вынуждены оцеплять район столкновения, напичкав его всевозможной измерительной аппаратурой, и, не теряя времени, собирать улики. Только тогда можно надеяться определить последовательность событий и воссоздать полную картину взаимодействия.
Любимый метод Резерфорда, засекавшего частицы по вспышкам на флуоресцентном экране, получил логическое продолжение в сцинтилляционных счетчиках. Пролетая через детектор, частица возбуждает электроны в атомах, которые затем излучают полученную энергию в виде света. Для этой цели хорошо подходят люминесцентные пластмассы с жидким фторсодержащим наполнителем. Фотоумножитель - это электронный прибор, способный усиливать тусклый свет (идущий, например, от сцинтиллятора) до такой степени, чтобы его можно было различить.
Принцип работы черенковского детектора зиждется на так называемом эффекте Вавилова-Черенкова. Его в 1934 г. экспериментально обнаружил работавший под руководством С.И. Вавилова П.А. Черенков из Физического института им. П.Н. Лебедева в Москве. Дело в том, что если частица движется в некотором веществе со скоростью, превышающей скорость света, она начинает излучать. Нельзя превзойти скорость света в вакууме, но в веществе свет замедляется, и тогда его удается обогнать. Известно, что, оказавшись рядом с реактивным самолетом, который разогнался до скорости звука, мы слышим громкий хлопок (нас настигает фронт звуковой ударной волны). Так и частицы, бегущие в веществе наперегонки со светом, испускают в устремленный вперед конус излучение, получившее название черенковского. На наше счастье, угол раствора конуса напрямую зависит от скорости частицы, позволяя экспериментально измерить этот важный параметр.
Следующий класс приборов - калориметры, с помощью которых ученые измеряют энергию частиц. В заполняющем их плотном материале возбуждаются распадные ливни, представляющие собой цепочку рождений пар и образования тормозного излучения (излучение, испускаемое замедляющимися частицами), в результате чего высвобождаются большие залежи энергии. Если получается зарегистрировать хотя бы определенную долю этой энергии, физики могут делать выводы о том, насколько энергичным было первоначальное событие. В электромагнитных калориметрах делается упор на каскады, вызываемые электромагнитными силами, а в адронных калориметрах орудуют сильные взаимодействия.
Адроны - это частицы, подверженные влиянию ядерных сил. К ним относятся протоны, нейтроны, различные типы мезонов и ряд более тяжелых частиц. Все они состоят из кварков. Лептоны же - это частицы, нечувствительные к сильному взаимодействию: электроны, позитроны, мюоны и нейтрино. В них нет кварков - это уже истинно элементарные частицы. Адронные калориметры не реагируют на лептоны, они ощущают только энергию адронов.
Помимо пузырьковых камер существует множество других приборов для измерения траекторий частиц. Для регистрации заряженных частиц хорошо подходят искровые камеры. Промелькнувшая частица вдоль своего пути ионизует газ, и в нем происходит напоминающий молнию разряд. Дрейфовые камеры устроены сложнее: для того чтобы измерить время пролета частицы между двумя заданными точками, в них используется электроника.
С изобретением компьютера физика высоких энергий обрела незаменимого помощника. Теперь ученые могли себе позволить прочесывать гигантские объемы данных в поисках намеков на интересные события. О том, чтобы без компьютера найти продукты редких распадов, можно было бы и не мечтать. Все равно что искать в лесу цветущий папоротник.
Ко времени вступления «Фермилаба» в строй в начале 70-х одна из особенностей его конструкции уже успела устареть. Еще со времен Резерфорда пучки в ускорителях били по неподвижным мишеням. А как диктуют законы сохранения, в таком случае львиную долю полной энергии столкновения уносят вторичные частицы, вылетающие с обратной стороны мишени. Лишь малая толика может быть обращена в массу новых частиц. Более того, выход полезной энергии в столкновениях с неподвижной мишенью растет довольно медленно - пропорционально корню из энергии пучка. Скажем, если в улучшенной модели ускорителя в протонах запасается в сто раз больше энергии, эффективная энергия получит только десятикратное приращение. Вдобавок к этому недостатку сам рождающийся пучок оказывался узким, усложняя экспериментаторам задачу регистрации испущенных частиц.
В далеком 1953 г. Видероэ словно предвидел эту проблему и запатентовал гораздо более совершенную разновидность ускорителя, который мы сегодня называем коллайдером56. Он догадался, что, если сталкивать частицы лоб в лоб, можно будет уменьшить долю кинетической (связанной с движением) энергии и на выходе получить больше энергии для производства частиц. Тогда Видероэ работал инженером-технологом, поэтому неудивительно, что физическое сообщество прошло мимо его патента. А всего три года спустя идею о лобовом столкновении пучков независимо высказала группа трудившихся над синхротроном экспериментаторов во главе с Дональдом Керстом. От этого предложения, опубликованного в крупном журнале «Физикал Ревью» и обсужденного на симпозиуме ЦЕРНа в 1956 г., до резкого увеличения производительности ускорителей оставался один шаг, и вскоре коллайдеры стали обычным делом.
