Пол Хэлперн - Коллайдер
Можно попытаться ощутить разницу между ускорителем с неподвижной мишенью и коллайдером, обратившись к железнодорожным катастрофам. Если говорить о первом, представим себе потерявший управление локомотив, который сбоку врезается в товарный вагон, случайно очутившийся на пересечении двух путей. Один из вероятных исходов - товарный вагон после толчка начинает двигаться по своему пути, а локомотив продолжает ехать по своему. Все целы и невредимы. Основная часть энергии столкновения так и осталась кинетической.
А теперь пусть два локомотива (примерно одинаковых размеров и с близкими скоростями) несутся навстречу и впечатываются лоб в лоб. О счастливом конце здесь говорить не приходится. Львиную долю энергии мы, скорее всего, сможем наблюдать воочию в виде горящих обломков. То, что для диспетчера обернулось бы кошмаром, как раз по душе физикам, имеющим дело с ускорителями. Они только и ждут, чтобы подлить масла в огонь и выковать новые частицы.
На той самой церновской конференции физик из Принстона Джеральд О’Нейлл предложил реализовать коллайдер с помощью сообщающихся накопительных колец. По его задумке, ускоренные в синхротроне частицы нужно было распределить между двумя отдельными кольцами, где они циркулировали бы в разные стороны в ожидании столкновения в точке пересечения двух колец. Эта идея в 60-х и начале 70-х гг. воплотилась в нескольких электрон-позитронных коллайдерах. В частности, безусловным достижением стало строительство в 1972 г. Стэнфордского позитрон-электронного ускорительного кольца (SPEAR) в Стэнфордской лаборатории линейного ускорителя. Именно на нем, кроме всего прочего, Бертон Рихтер, проектировавший SPEAR, совместно с коллегами открыл частицу J/ψ («джей-пси», тяжелый мезон, состоящий из очарованных кварков и антикварков), а Мартин Перл обнаружил сверхтяжелый тау-лептон.
Эти открытия подвели экспериментальную базу под гипотезу о том, что кварки и лептоны образуют три разных поколения. К первому относятся верхний и нижний кварки, а также электрон с нейтрино. Ко второму - странный и очарованный кварки и, соответственно, мюон и мюонное нейтрино. А в третье попадает тау-лептон (вместе с обнаруженными позже тау-нейтрино и прелестным и истинным кварками). Будь то сами по себе, как в случае лептонов, или в составе различных адронов, как это происходит с кварками, эти частицы являются элементарными кирпичиками материи.
В 1971 г. заработал первый в мире адронный коллайдер - Пересекающиеся накопительные кольца (ПНК). Тогда уже действующий в ЦЕРНе протонный синхротрон (ПС) ускорял пучки протонов до 28 ГэВ, после чего система впрыска сгоняла их в одну из пары кольцевых ячеек. Там они и «складировались», то есть система запускала внутрь частицы в строго определенные моменты времени, чтобы группы протонов летали вплотную, но не вставали друг у друга на пути. Это как хорошо настроенный светофор - подает машинам разрешающий сигнал через заданные промежутки времени, чтобы не возникало заторов и движение шло постоянным потоком. Благодаря «складированию» протонные пучки в накопительных кольцах увеличивают свою светимость, или, другими словами, число столкновений на единицу площади, которое зависит от интенсивности пучка. В этом плане пучок напоминает очередь из автомата: чем чаще следуют выстрелы и чем точнее прицел, тем быстрее цель будет поражена. Высокая частота столкновений повышает шансы на поимку маловероятных событий, таких как рождение редких видов частиц.
Вскоре после запуска ПНК сотрудники ЦЕРНа решили опробовать оригинальный метод увеличения светимости, так называемое стохастическое охлаждение. Его изобрел голландский физик Симон ван дер Мер, отвечавший в ЦЕРНе за направляющие магниты. Новый способ давал возможность ужать пучки до компактных сгустков, что позволило бы упаковать их в кольце гораздо плотнее. Главное - понять, как далеко частицы удаляются от центра своей группы, и вернуть их обратно в «стадо», если они от него отбились. Благодаря такой корректировке разброс в пучке уменьшается, и он «охлаждается» до более плотного состояния, освобождая место для своих соседей и увеличивая тем самым светимость. Находка ван дер Мера оказалась для коллайдеров настолько полезной - вместе с увеличением светимости проложив дорогу к эпохальным открытиям, - что в 1984 г. ученому присудили Нобелевскую премию по физике (вторым лауреатом стал итальянец Карло Руббиа).
Поглядывая на набирающий силу ЦЕРН с его современными, более совершенными методами, Вильсон настаивал на необходимости модернизации ускорителя в «Фермилабе» и мечтал хотя бы о двукратном повышении его эффективной энергии. Понятно, что за этим стояло. Недавние успехи теоретиков, которым удалось объединить электромагнетизм и слабые взаимодействия в рамках единой квантовой теории, положили начало погоне за предсказанными массивными частицами. Возможность прочесть один из красивейших отрывков природной поэмы единства заставила целое поколение экспериментаторов пойти в «Фермилаб», ЦЕРН, куда бы то ни было, лишь бы принять участие в кропотливом разборе гигантского склада данных, полученных на невиданных энергиях.
Стандартная модель электрослабого объединения, независимо предложенная в 1967 г. Стивеном Вайнбергом и Абдусом Саламом, предсказывает вдобавок к хорошо известному безмассовому фотону существование четырех новых массивных бозонов. Два из них, W+ и W-, служат переносчиками в слабых процессах с зарядовым обменом (например, взаимодействие с участием электронов и нейтрино или позитронов и антинейтрино). Третий, Z°-бозон, передает силу в нейтральный процессах. Эта частица впервые появилась в работе Глэшоу, который добавил ее, чтобы получить математически согласованную теорию, хотя до этого нейтральные слабые токи никто не видел. Все вместе W+, W- и Z° называются промежуточными векторными бозонами. Слово «векторные» отражает их специфические свойства при преобразованиях. Четвертая предсказанная частица - бозон Хиггса. Посредством спонтанного нарушения симметрии (о нем говорилось в главе «В поисках теории всего сущего») она придает массу W+, W- и Z°-бозонам, а также кваркам и лептонам.
Набросанный Вайнбергом и Саламом сценарий не обещал, что поиск новых бозонов будет легким. При достаточно высоких температурах (например, в первые мгновения после Большого взрыва) симметрия, согласно теории, сохранялась, и W- и Z-бозоны тоже были безмассовыми. Но стоило температуре опуститься ниже критического значения (как это имеет место сегодня), из-за спонтанного нарушения первоначальной симметрии бозоны обзавелись внушительной массой. Значит, чтобы их зарегистрировать, нужны были мощнейшие мировые ускорители с наилучшими энергетическими характеристиками.
В 1970 г. трое отважных экспериментаторов - Карло Руббиа (тогда сотрудник Гарварда), Альфред К. Манн из Пенсильванского университета и Дэвид Клайн из Университета Висконсина - сделали в «Фермилабе» первую попытку найти W-бозон. За свое предприятие группа HPWF (по первым буквам университетов и «Фермилаба») принялась в лаборатории нейтрино. Геодезический купол этого металлического шалаша во время дождей сильно протекал, и пол превращался в мутную жижу. Исследователям подчас приходилось шлепать по грязным лужам, пробираясь к экспериментальным установкам. Из-за экономии средств, которой был озабочен Вильсон, рабочая обстановка напоминала один из нижних кругов в концепции Данте.
В следующем году молодой гений теории поля Герард ’т Хоофт из Утрехтского университета в Нидерландах вместе со своим учителем Мартинусом Вельтманом доказал, что теория Вайнберга-Салама, как и квантовая электродинамика, перенормируема (бесконечные члены взаимно уничтожаются). Этот факт придал теории весу. Вайнберг, пребывавший от столь замечательной новости в эйфории, с нетерпением ждал экспериментальной проверки одного из непосредственных следствий электрослабой теории - существования нейтральных слабых токов. Как рассказывал потом Руббиа, Вайнберг группе HPRF «всю душу измотал», убеждая оставить прежние планы и заняться поиском нейтральных токов57.
Руббиа попросил Ларри Сулака, своего гарвардского коллегу, сотрудничающего с группой, установить на детектор новый счетчик, который бы реагировал на события с нейтральными токами. В них фермионы не меняют своей сущности в процессе взаимодействия: электроны остаются электронами, а протоны - протонами. Главная проблема состояла в том, что электромагнитные процессы тоже не влияют на характеристики частицы - из них электроны по-прежнему выходят электронами. Экспериментаторам предстояло, по сути, искать «слабую нейтральную» иголку в стоге электромагнитных событий, также сохраняющих заряд и массу. Наиболее перспективным направлением был поиск событий с участием нейтрино. Будучи легкими нейтральными лептонами, они взаимодействуют преимущественно по слабому каналу. Если нейтральный адрон, например нейтрон, провзаимодействовал с нейтрино, причем ни одна из частиц не исчезла, естественным подозреваемым становится слабый нейтральный ток.
