Пол Хэлперн - Коллайдер
Появление БЭП потребовало внести коррективы и в работу других установок ЦЕРНа. Например, ПСС стал выполнять функцию источника электронов и позитронов, которые затем посылались в кольцо БЭП. Там они циркулировали в форме двух противоположно вращающихся пучков, а потом, достигнув максимальной энергии, направлялись в точку столкновения. Зная радиус кольца, частоту вращения электронов и позитронов и другие величины, экспериментаторы могли вычислить полную энергию каждого столкновения, а значит, могли довольно точно посчитать массы родившихся частиц.
Все одиннадцать лет своей работы (1989-2000) БЭП был самым мощным лептонным коллайдером в мире. Но поскольку электрон гораздо легче протона, лептонные коллайдеры, как правило, уступают близким по величине адронным коллайдерам. Электрон-позитронный коллайдер нарастил свою энергию от 100 ГэВ (сразу после запуска) до без малого 200 ГэВ (после усовершенствований). Но этого оказалось недостаточно, чтобы найти бозон Хиггса или увести у соперников из-под носа топ-кварк. Зато W- и Z-бозоны БЭП мог штамповать один за другим, благодаря чему удалось измерить их массы с ювелирной точностью.
Топ-кварку суждено было появиться на свет среди тех же кукурузных полей Иллинойса, где почти двадцать лет назад был обнаружен b-кварк. (Эту пару, напомним, также называют истинным и прелестным кварками.) Никто не думал, что второго члена третьего кваркового поколения придется ждать так долго и что он окажется настолько тяжелым. Его открытие в 1995 г. стало (пока) ярчайшим событием в плодотворной жизни «Теватрона».
Вильсон оставил место директора «Фермилаба» в 1978 г., вскоре после открытия ипсилон-частицы (первой частицы, в которой оказался b-кварк). Вложивший в «Теватрон» всю свою душу, он не мог смириться с отказом Министерства энергетики США дать требуемую сумму в объеме, необходимом, чтобы не отстать от плана и запустить установку в кратчайшие сроки62. Дабы продемонстрировать свою позицию, он подал заявление об отставке, которое, как ни странно, приняли. Должность директора занял Леон Ледерман, заработавший себе славу недавним открытием прелестного кварка. Именно Ледерман запустил «Теватрон» и в 80-е определял его судьбу. (В 1989 г. директором стал Джон Пиплс, потом его сменил Майкл Уитерелл, за которым, в свою очередь, пришел Пьер Оддоун. Ледермана же удостоили звания почетного директора.)
Запуск «Теватрона» приветствовали физики всей Земли, осознавая, что его непревзойденная мощь дает уникальный шанс построить более полную научную картину субатомного мира. Третьего июля 1983 г., через двенадцать часов после пролета первого пучка, «Теватрон» достиг цифры в 512 ГэВ, установив новый мировой рекорд энергии, полученной на ускорителе. К хору почитателей присоединился и Хервиг Шоппер, бывший тогда генеральным директором ЦЕРНа. Посланная от его имени по телетайпу телеграмма гласила: «Шлем, искренние поздравления с Вашим потрясающим успехом. Вам впервые удалось ускорить протоны в кольце со сверхпроводящими магнитами до ранее недостижимых энергий. “Фермилабу” принадлежит первенство в применении сверхпроводящих магнитов, открывшем новую главу в ускорительной физике. Просим Вас передать наше восхищение всем, кто так или иначе причастен к этому успеху»63.
Хотя главным соперником «Фермилаба» по-прежнему оставался ЦЕРН, основная борьба разворачивалась рядом с самим «Теватроном». Пример групп UA1 и UA2, удачно продемонстрировавших учение о выживании видов, привел Ледермана к мыcли организовать два антагонистических коллектива и на базе «Теватрона». Каждая из них отвечала бы за свой детектор и обрабатывала бы собственные данные. К бесспорным плюсам такой стратегии следует отнести то, что результаты одной группы проходят независимую проверку в другой.
В первую коллаборацию, образовавшуюся вокруг детектора CDF («Детектор на коллайдере в “Фермилабе”), вошли тысячи ученых и инженеров из США, Канады, Италии, Японии и Китая, представляющие 36 университетов и других организаций. Из-за невообразимого количества людей первые несколько страниц в каждой публикуемой статье приходилось отводить просто-напросто под длинный список имен.
CDF до сих пор в строю. Этот многофункциональный детектор весом под сотню тонн окружает одну из точек пересечения пучков и кропотливо отбирает осколки в поисках интересных событий. Как и в случае с ПСС, на CDF имеет смысл обращать внимание лишь на малую долю всех столкновений. Речь идет о тех событиях, когда кварк протона напрямую взаимодействует с антикварком антипротона, рождая всевозможные частицы, вылетающие под большими углами. На остальное и время тратить нечего, ведь вам же в метро не интересны прохожие, легонько задевающие вас в толпе.
Если вдруг CDF видит нечто, летящее под большим углом, он, подобно всем сложным детекторам, устраивает ему настоящий допрос. Ионизация, игравшая в классических приборах вроде камеры Вильсона ключевую роль, не менее важна и в современных методах отслеживания заряженных частиц. Изощренный инструмент под названием SVT («Кремниевый следопыт»), в котором используется технология тонких материалов, словно «по запаху» чует малейший заряд, указывая местоположение субатомных беглецов с точностью до десятитысячных долей сантиметра. Второй прибор, СТС («Центральная камера слежения»), заключен внутри сверхпроводящего магнита, заставляющего заряженные частицы отклоняться так, чтобы можно было измерить их импульс.
Но умей частицы чувствовать, они бы ощутили себя «морскими котиками» в первый день тренировок. Все испытания еще впереди. На следующем этапе частицу ждут муки в недрах двух разновидностей калориметров (приборов для измерения энергии частицы), электромагнитном и адронном. В них частица вынуждена пробиваться сквозь препятствия (соответственно слои свинца и железные пластинки), возбуждая ливни, пока с нее не сойдет семь потов - сколько бы их ни было, от калориметра не ускользнет ни один. Особо выносливым - мюонам - удается выйти из калориметров без значительных энергетических потерь, но они тут же попадают в мюонный датчик.
Чтобы в этой суматохе не упустить крупицы ценной информации, определенный набор показаний приводит в действие своего рода спусковой механизм. Как по волшебству, мгновенно подключается вся система сбора данных и начинает записывать все, что тем или иным образом относится к подозрительному событию: положения, импульсы, энергии - подчас десятки тысяч битов информации. Если этого не сделать, редкие процессы, которых, собственно, и ждут, рискуют быть засыпанными сугробами ничем не примечательных распадов.
Последняя стадия вообще никак не связана с самой установкой и происходит в виртуальном мире компьютеров. Хитроумные программы, подобно следователям-криминалистам, восстанавливают картину произошедших событий. Каждое потенциально интересное событие проходит «аутопсию», в ходе которой особенно отмечается недостаток энергии или импульса. Так как эти физические величины должны сохраняться, их дисбаланс намекает на проделки субатомных воришек вроде нейтрино, сумевших остаться незамеченными. Таким образом, подробный анализ является единственным способом заполнить все пробелы и восстановить ход событий во время столкновения.
На противоположной стороне кольца «Теватрона», напротив детектора CDF, трудится еще одна группа профессионалов. На своем детекторе коллаборация Do также копит ценные данные. Как и в CDF, во втором приборе присутствуют калориметры, системы слежения, мюонные детекторы и пусковые системы, но упор делается больше на калориметрию, чем на прорисовку треков. Эксперименты на Do привлекли ученых со всего земного шара: от Аргентины и Бразилии до Великобритании и Соединенных Штатов.
Одним из неиссякаемых источников кадров для коллаборации Do служит Университет Стоуни-Брук в штате Нью-Йорк. Будучи тамошним студентом, как раз когда шла подготовительная стадия проекта, я собственными глазами видел, насколько тщательно проверяют и калибруют каждый узел детектора. Все с единственной целью - убедиться, что он работает так, как нужно. В процессе калибровки показания прибора сравниваются с эталоном. Например, тестируя температурный датчик, лаборант смотрит, сходятся ли его показания с показаниями жидкостного термометра. Данным с детектора, не прошедшего калибровку, самое место в мусорной корзине. (Как известно, если весы не выставить на ноль, легко можно промахнуться со своим весом.) Помнится, помогая настраивать черенковский детектор, я должен был полностью изолировать от света комнатку размером с кладовку - чтобы внутрь проходили только космические лучи. Избавляясь от паразитных фотонов, я провел в темноте немало часов и истратил не один моток изоленты. И это только одно из тысяч отладочных испытаний, проводимых тысячами исследователей в течение многих тысяч дней до того момента, когда детектор наконец запустят. Физика высоких энергий, как и разведение нежных орхидей, требует огромного терпения. Но тем отраднее потом наслаждаться распустившимися цветками.
