Пол Хэлперн - Коллайдер
Руббиа попросил Ларри Сулака, своего гарвардского коллегу, сотрудничающего с группой, установить на детектор новый счетчик, который бы реагировал на события с нейтральными токами. В них фермионы не меняют своей сущности в процессе взаимодействия: электроны остаются электронами, а протоны - протонами. Главная проблема состояла в том, что электромагнитные процессы тоже не влияют на характеристики частицы - из них электроны по-прежнему выходят электронами. Экспериментаторам предстояло, по сути, искать «слабую нейтральную» иголку в стоге электромагнитных событий, также сохраняющих заряд и массу. Наиболее перспективным направлением был поиск событий с участием нейтрино. Будучи легкими нейтральными лептонами, они взаимодействуют преимущественно по слабому каналу. Если нейтральный адрон, например нейтрон, провзаимодействовал с нейтрино, причем ни одна из частиц не исчезла, естественным подозреваемым становится слабый нейтральный ток.
В борьбу включилась и группа из ЦЕРНа под началом Джека Фрая и Дитера Хайдта. Основным их инструментом стала закачанная тяжелым жидким фреоном пузырьковая камера «Гаргамель», незадолго до описываемых событий установленная на Протонном синхротроне внутри гигантского сверхпроводящего магнита. Экспериментаторы провели осень и начало зимы 1972 г., разыскивая рассеянные на нейтрино нейтроны. Пока неподалеку горнолыжники вычерчивали зигзаги на снежных швейцарских склонах, Фрай и Хайдт перебирали замерзшие треки каскадов - характерные следы в пузырьковой камере, отражающие все взаимодействия и физические свойства частиц. Лето принесло с собой радостные известия. К июлю 1973 г. у группы набралось достаточно доказательств существования нейтральных токов, чтобы сообщить о них научной общественности. Примерно в то же время коллектив HPRF также готов был представить обнадеживающие результаты.
Но, увы, летняя жара порой идет рука об руку с миражами. После подстройки оборудования и повторного сбора данных открытие группы HPRF затерялось среди барханов статистических погрешностей. Скептиками даже высказывалось мнение, что электрослабое объединение не более чем красивая иллюзия.
Гаргамельская группа, беспокоясь, как бы ее результаты тоже не оказались эфемерным видением, принялась их перепроверять. К счастью, их данные, как оказалось, имеют под собой твердый фундамент. Тем временем группа HPRF еще раз пересмотрела свои результаты, устранила все изъяны в обработке и тоже объявила об успешном завершении эксперимента. Впервые в истории науки новый режим взаимодействия - слабые нейтральные токи - был сначала обнаружен в теории, а потом уже найден в экспериментах.
Позже Хайдт выскажется о роли сделанного им и его коллегами открытия: «С обнаружением слабых нейтральных токов… ЦЕРН вышел в этой области в первые ряды. Найденный эффект открыл эпоху экспериментальных подтверждений Стандартной модели электрослабых взаимодействий и вызвал целый бум в экспериментальной и теоретической науке, вышедший далеко за пределы ЦЕРНа»58.
Результаты измерений нейтральных токов позволили теоретикам более точно оценить массу W-бозона, что заставило экспериментаторов по всему миру с новыми силами взяться за поиск этой частицы. Желая доказать, что успех с нейтральными токами был закономерен, гонку возглавил ЦЕРН. На недостаток мощностей ему жаловаться не приходилось. Европейцы уже выделили средства и определились с местом для строительства Протонного суперсинхротрона (ПСС) - почти 6,5-километрового ускорителя, готовившегося первым в мире взять планку в 300 ГэВ. Однако в разгаре стройки, к немалому разочарованию европейских физиков, выяснилось, что основное кольцо «Фермилаба» уже бьет этот запланированный рекорд.
Когда вы втянуты в борьбу, мешкать нельзя: малейшая задержка может дать сопернику решающее преимущество. В случае с погоней за титулом первооткрывателя слабых бозонов такое преимущество появилось у ЦЕРНа, когда «Фермилаб» своим отказом соорудить протон-антипротонный коллайдер оттолкнул от себя Руббиа. Идея этой установки изначально пришла в голову младшему гарвардскому коллеге Руббиа Питеру Макинтайру, а получила свое развитие в работе Клайна, Макинтайра и Руббиа 1976 г. Трое ученых уговаривали Вильсона и заявочный комитет «Фермилаба» изыскать способ запустить протонный и анти-протонный пучки в противоположных направлениях по одному и тому же кольцу. Если бы получилось, как предполагалось, устроить между пучками столкновение лоб в лоб, где-то в осколках могли крыться искомые частицы.
Но Вильсон с головой ушел в строительство «Теватрона», первого в мире синхротрона со сверхпроводящими направляющими магнитами. Название «Теватрон» намекало на его будущую возможность заправлять протоны энергией в 1 ТэВ (один тераэлектронвольт, или один триллион электронвольт). В планах «Теватрон» и правда предполагалось использовать как коллайдер, но умеющий считать деньги директор не мог дать стопроцентной гарантии до тех пор, пока технология сверхпроводимости не будет проверена на практике.
Следуя примеру неунывающих коммивояжеров, Руббиа постучался в следующую дверь, за которой скрывался ЦЕРН. Ученый там работал в 60-х и потому чувствовал себя как дома. Руббиа родился 31 марта 1934 г. в итальянской Гориции, учился в университетах Пизы, Милана и полтора года провел в Соединенных Штатах, в Колумбии. Как раз по возвращении опуда - Руббиа было 26 лет - он впервые попал в ЦЕРН. С начала 70-х все время у Руббиа было расписано буквально поминутно: его можно было встретить то в Гарварде, то в «Фермилабе», то в ЦЕРНе… С таким жизненным опытом и будучи уверенным в своих силах, он чувствовал себя вправе предложить ЦЕРНу сделать революционный шаг.
Союзником Руббиа в разработке новой стратегии европейской лаборатории стал Симон ван дер Мер. Руббиа оценил метод стохастического охлаждения, предложенный голландским физиком. Он понимал: лучшего способа создавать плотные протонные и антипротонные пучки не найти. А где высокая плотность пучков, циркулирующих в ПСС по часовой стрелке и против нее, там и выше энергия в системе центра масс - ключевая характеристика коллайдера. Удовлетворенный доводами Руббиа, Леон ван Хове, в то время один из директоров ЦЕРНа, помог провести это новшество через бюрократические заслоны. Никто не успел и глазом моргнуть, как уже был готов и подсоединен к ПСС Антипротонный накопитель, новаторская установка для формирования интенсивного пучка. К 1981 г., всего через пять лет после статьи Клайна, Макинтайра и Руббиа, ПСС уже работал в режиме протон-антипротонного коллайдера, ставшем на следующее десятилетие для ускорителя основным. И хотя в 1983 г. вступил в строй «Теватрон», режим коллайдера ему был недоступен до 1985 г., что дало ЦЕРНу шанс уйти в отрыв.
Запуск ПСС, а затем и «Теватрона» привел к такому явлению, как исследовательские «коллаборации» - коллективы, насчитывающие сотни экспериментаторов из десятков разных институтов. Эти два научных центра физики высоких энергий притягивали к себе ученых, желающих оказаться там в ту самую минуту, когда к Стандартной модели будет добавлен последний штрих, найдена последняя частица из третьего поколения (стоящая в одному ряду с тау-лептоном и прелестным кварком, обнаруженным в 1977 г. в «Фермилабе» Ледерманом с сотрудниками) или даже открыты неизвестные ранее составляющие природы. Дни Резерфорда и Лоуренса, дни, когда авторов статьи с описанием эксперимента можно было пересчитать по пальцам (максимум научный руководитель, молодой научный сотрудник и пара аспирантов), ушли в прошлое. Группы буйно разрастались, а список авторов в статье все удлинялся, порой переходя за недостатком места из заглавия в обширную сноску. Без лупы невозможно стало разобрать, чьим знаниям мы обязаны успеху того или иного проекта.
Мало того, все больше усиливающаяся специализация, связанная с набирающими обороты «фабриками» по производству частиц, и долгие сроки экспериментов привели к тому, что руководители проектов начали придерживаться более гибких критериев, предъявляемых к докторским диссертациям. Например, для полноценной диссертации на степень доктора философии вполне достаточно выполнить моделирование методом Монте-Карло (используя для просчета возможных исходов генератор случайных чисел), написать программу, построить и испытать новый детектор и т. д. В противном случае некоторые аспиранты, входящие в коллаборацию экспериментаторов, рискуют остаться без диссертационной темы, да и будь у каждого тема, конечных результатов приходится ждать годами, а значит, защита отодвигается на неопределенно долгое время.
К моменту перевода ПСС в режим коллайдера в ожидании первых столкновений уже стояли два детектора, каждый со своей армией экспериментаторов. Первый, UA1 («Подземная площадка №1»), - детище Руббиа, создавшего невероятно сложный прибор, начиненный самой современной электроникой и способный анализировать столкновение практически под любым углом. Способность покрыть телесный угол почти полностью, так называемая герметичность, стала с тех пор главным критерием качества детектора. UA1 был настоящим Голиафом - на тот момент рекордные примерно 2000 тонн. Журналисты одной французской газеты, впечатленные замысловатой и объемистой конструкцией детектора, сделали ставку на второй, более миниатюрный UA2 («Подземная площадка №2»), полагая, что юркий «Давид» свалит неповоротливого гиганта. Говорят, от этого сравнения Руббиа, справедливо считавший себя настоящим профи, пришел в бешенство59.
