Пол Хэлперн - Коллайдер
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.
В ходе первого пуска в декабре 1981 г. предполагалось проверить некоторые следствия квантовой хромодинамики (КХД), главного претендента на роль калибровочной теории сильных взаимодействий. Квантовая хромодинамика, разработанная в 70-х гг. XX в., относит взаимодействие между кварками внутри адронов на счет глюонов, частиц-переносчиков. Перебрасываясь глюонами, кварки различных цветов образуют между собой связи и складываются в барионы или мезоны. Концепция глюонов пришла на смену гипотезе обмена пионами. В рамках последней было совершенно непонятно, почему кварки предпочитают ходить группами и никогда не летают поодиночке. На детекторах UA1 и UA2 экспериментаторы искали события, в которых кварковые структуры приходят в тесное взаимодействие, измеряли энергию в ливне и сравнивали с расчетами теоретических моделей КХД. Многие из предсказаний КХД удивительным образом подтвердились, причем в большинстве своем на UA2.
Подогрев аппетит на опытных следствиях КХД, можно было переходить к основному блюду. W- и Z-бозоны созрели, и настала пора собирать урожай, а благодаря новым возможностям обновленного ПСС за экзотическими фруктами и тянуться не надо было - сами в руки упадут. Детекторы, нацеленные на свою разновидность частиц, или, лучше сказать, дегустаторы, стояли в предвкушении характерного букета редких ароматов.
Если говорить о W-бозоне, то ученые ожидали, что при больших энергиях кварк в протоне сможет слиться с антикварком в антипротоне (например, верхний кварк и нижний антикварк) и образовать переносчик слабых взаимодействий. Однако на очень короткое время: бозон тут же распадется на заряженные лептоны и нейтрино. Частицы, ускользающие от прямого детектирования, называются резонансами. На их присутствие намекает лишь резкий максимум (его положение зависит от массы резонанса) в кривой зависимости сечения от энергии. Это как пытаться доказать, что кто-то средь жаркого летнего дня недавно лепил снеговика (из инея в морозилке). Обильная лужа воды выдаст затейника.
В один из рождественских дней 1982 г. на ПСС сталкивались пучки протонов и антипротонов с немыслимой светимостью более чем 1029 (1 с 29 нулями) частиц в секунду на один квадратный сантиметр. Детектор UA1 зафиксировал около миллиона потенциально интересных событий, которые затем отправились на обработку. Шесть из них по параметрам подходили («нужная» энергия и импульс электронов, вылетающих под определенными углами) под события с участием W-бозона. Дополнительные данные сузили диапазон масс, куда попадает W-бозон, - вышло примерно 81 ГэВ/c2 (в соответствии со знаменитым эйнштейновским соотношением между массой и энергией мы делим на скорость света в квадрате). UA2 между тем выявил еще четыре таких же подозрительных случая, чем подтвердил потрясающее открытие.
Поимка Z-бозона произошла несколькими месяцами позже, в апреле-мае 1983 г. На этот раз экспериментаторов интересовал другой сигнал: рождение электрон-позитронных пар определенной энергии. У коллектива UA1 масса нового бозона получилась примерно 95,5 ГэВ/c2, а ученые из группы UA2 повторили эту цифру. Об этих триумфальных открытиях возвестили статьи в «Физике Леттерс В», от которых мировое физическое сообщество было в восторге. Проведенные эксперименты говорили сами за себя, недвусмысленно дав понять, что единая электрослабая теория не игра разума.
Сотрудник ЦЕРН Даниэль Денегри, входивший в группу UA1, вспоминает воцарившуюся тогда радостную атмосферу: «В конце 1982-го и в 1983 г. я чувствовал себя на подъеме не только как ученый, но и как человек. До сих пор не могу забыть то время упорных попыток, напряжения, предвкушения, удовлетворения и радости».
Трудно переоценить тот энтузиазм и веру в свои силы, которые принесли европейцам открытие слабых бозонов. После десятилетий господства Соединенных Штатов в области физики высоких энергий земля Эйнштейна, Бора и Кюри снова почивала на лаврах. Как заметил Денегри: «Открытие в ЦЕРНе W и Z-бозонов… означало, что физика элементарных частиц снова пристала к “старому берегу” Атлантики»60.
Хотя американские экспериментаторы и были рады за своих заокеанских коллег и довольны, что электрослабая теория выдержала проверку на прочность, они не могли оставаться равнодушными, зная, что ЦЕРН уложил их на лопатки. Ускорительная физика, как и бейсбол, успела стать коньком США, а как бы себя чувствовали американцы, проиграв Мировую серию Швейцарии? Редактор «Нью-Йорк Таймс» в своей колонке огласил счет: «Европа - 3, США не дотянули до Z-3epo»61.
Первой головой, полетевшей после успеха европейской науки, стала «Изабелль» (ISABELLE) - сооружаемый в Брукхейвене протон-протонный коллайдер. И это несмотря на то что уже был вырыт тоннель и потрачены сотни миллионов долларов. В июле 1983 г. подразделение Консультативной группы по вопросам физики высоких энергий Министерства энергетики США решило, что планируемой энергии строящегося коллайдера (около 400 ГэВ) будет недостаточно, чтобы превзойти уровень недавних открытий.
Итак, W и Z открыты. На повестке оставались недостающие звенья Стандартной модели, как то: истинный кварк, тау-нейтрино и бозон Хиггса. Среди других целей экспериментальной физики было обнаружение новых гипотетических частиц, которые предсказываются расширенными версиями Стандартной модели, дающими более полное объединение некоторых взаимодействий.
Например, в 70-х и 80-х гг. сразу несколько теоретиков предложили так называемые теории Великого объединения (ТВО) - модели, в рамках которых КХД и электрослабое взаимодействие описываются с единых позиций. Они, по сути, построены на идее о том, что при достаточно высоких энергиях (скажем, в ранней Вселенной) все взаимодействия по интенсивности мало отличались друг от друга. По мере охлаждения вещества была достигнута точка ветвления: в первый фазовый переход разделились сильное и электрослабое взаимодействия, а на второй стадии - электрослабое распалось на слабое и электромагнетизм. Другими словами, по мере того как изменялась фундаментальная структура вакуума, первоначально идеально симметричная конфигурация постепенно искажалась.
Примерно в тот же период появились и гораздо более смелые теории объединения. Среди них - гипотеза суперсимметрии, трактующая фермионы и бозоны в рамках одной схемы. У каждого фермиона, согласно этой модели, есть бозонный двойник, так называемый суперпартнер. Аналогично у любого бозона есть фермионный собрат. В первичном вселенском бульоне частицы и их суперпартнеры выступали на равных, но стоило температуре упасть, как суперсимметрия спонтанно нарушилась: суперпартнеры обзавелись такой большой массой, что впрямую мы их до сих пор не наблюдаем. Гипотетические суперпартнеры получили забавные имена в лучших традициях физики элементарных частиц: бозонных двойников электрона и кварка окрестили соответственно «сэлектроном» и «скварком». Фермионного родственника фотона назвали «фотино», глюона - «глюино», а суперпартнеры W- и Z-бозонов удостоились и вовсе непривычных для слуха имен: «вино» и «эйно». Теоретики надеялись, что по крайней мере самые легкие суперпартнеры можно будет заметить среди осколков столкновений.
В общем, недостатка в свежих идеях не было. Поэтому хотя к концу 80-х гг. многие из главных следствий Стандартной модели были проверены на опыте, вряд ли кого-то в физике высоких энергий это заставило воздержаться от постановки новых экспериментов. Правда, чтобы вырастить плод посочнее, требовалось изрядно удобрить просторы ускорителя энергией. Суперсинхротронный коллайдер быстро вышел на свои предельные 450 ГэВ, а столь желанные россыпи топ-кварков или «хиггса», не говоря о совсем уж экзотических частицах, так и не появлялись.
Еще один церновский проект - Большой электрон-позитронный коллайдер (БЭП) - поражал если не энергией, то размером.
Построив это кольцо, почти 27 км в окружности и уходящее в землю примерно на 100 м, ЦЕРН расширил свои владения далеко за пределы женевского пригорода и вплыл в зеленеющие пейзажи на границе Швейцарии и Франции. Зачем понадобился ускоритель столь больших размеров? Одна из причин - стремление понизить интенсивность излучения, идущего от вращающихся в кольце электронов и позитронов. Чем больше радиус, тем меньше потери на излучение.
