Коллайдер

Хэлперн Пол

Синхротрон, изобретение которого пришлось на 40-е гг., гораздо лучше подходит для экспериментальных задач, чем циклотрон. Во-первых, в нем интенсивнее магнитное поле, а во-вторых, частицы бегают по кругу «организованными группами». В синхротрон частицы впрыскиваются отдельными пучками, напоминающими группу спортсменов в начале велосипедной гонки. По мере увеличения энергии каждой такой порции подбавляют также магнитное поле, чтобы частицы не раскручивались по спирали, а оставались на одной круговой орбите. Чем свирепее зверь, тем крепче поводок ему нужен.

Второе характерное отличие синхротрона - отсутствие центрального магнита. Вместо этого магниты равномерно выкладываются вдоль всего пути пучка. Их задача,

как и прежде, направлять частицы, но зато такая конструкция позволяет выйти далеко за пределы комнатных габаритов и охватить большую площадь (размером с футбольное или фермерское поле, например). Стало быть, радиус орбиты и мощность можно беспрепятственно наращивать.

Кроме того, в циклотронах и синхротронах электрическое поле по-разному зависит от времени. Если в циклотроне электрические поля меняются периодически и задают частицам постоянный ритм, в синхротроне они подстраиваются под скорость пучка. Благодаря этому, даже когда частицы достигают релятивистских энергий, электрическое поле продолжает ускорять их в такт. Когда отец хочет раскачать сына на качелях, он для толчка всегда выбирает определенный момент. Синхротрон точно так же способен повышать энергию и без того энергичных частиц.

В «корнелльский» период биографии Вильсона синхротроны неумолимо заполоняли физику элементарных частиц. Без их мощи и, главное, огромных возможностей наращивать эту мощность открытия новых тяжелых частиц пришлось бы ждать неизвестно сколько. Крупные синхротроны стали источником «сырья» для грандиозных коллайдеров, на которых были сделаны первые шаги к единой теории (например, найдены переносчики электрослабого взаимодействия). В течение десятилетий ученые в мировых лабораториях неустанно увеличивали диаметр синхротронов и улучшали фокусирующие свойства магнитов, чтобы получать частицы со все большими и большими энергиями.

Золотой век синхротронов пришелся на 50-е и 60-е гг. XX в. Два инженера из Беркли, Уильям Бробек и Эдвард Лофгрен, под руководством Лоуренса соорудили в 1954 г. протонный синхротрон «Беватрон» размером с концертный зал. Он давал энергию до 6 ГэВ, но, к сожалению, обошелся непомерно дорого. Все из-за вакуумной камеры в форме бублика (включая окружающие ее магниты), в которой были такие широкие отверстия, что больше подошли бы гоночной машине, нежели элементарной частице.

Одной из первых ласточек был и «Космотрон», возведенный на бывшей военной базе среди идиллических пейзажей Брукхейвена, Нью-Йорк. От своего коллеги он отличался в лучшую сторону: проемы в нем были узкие, но не настолько, чтобы не пропустить пучок частиц. Группа под началом М. Стэнли Ливингстона, Эрнеста Куранта, Джона Блюитта и Кеннета Грина добилась успеха с помощью 288 магнитов в форме буквы «С», которые аккуратно управляли пучками протонов в 70-метровом тоннеле ускорителя. За какую-то секунду протоны пролетали без малого 220 000 км, совершив при этом миллионы оборотов, и, прежде чем удариться в мишень, достигали энергии в 3 ГэВ⁴⁸. Когда в мае 1952 г. «Космотрон» вошел в строй, «Нью-Йорк Таймс» поспешила известить о первом «Запале в миллиард вольт»⁴⁹.

Настраивая магниты «Космотрона» так, чтобы они фокусировали пучок как можно лучше, Курант приобрел бесценный опыт, который помог ему проложить дорогу к следующему поколению ускорителей. Исследователь рассчитал, что если повернуть соседние магниты в противоположные стороны (скажем, один внутрь, а следующий наружу и т. д.), их фокусирующая способность резко возрастет. Этот эффект, жесткая фокусировка, сделал возможным создание синхротрона с переменным градиентом (СПГ) в Брукхейвене - более мощной машины, вошедшей в строй в 1960 г. и работающей до сих пор.

Тем временем в швейцарской Женеве в Европейском центре ядерных исследований Нильс Бор открывал

бутылку шампанского, чтобы отметить открытие протонного синхротрона (ПС), еще одного ускорителя с жесткой фокусировкой. Для возрождавшейся после войны европейской науки это был настоящий триумф. ЦЕРН появился десятью годами ранее. Соответствующая резолюция, выдвинутая И. Раби, была принята на Пятой конференции ЮНЕСКО и предписывала Центру «всячески способствовать учреждению и организации региональных институтов и лабораторий, призванных активизировать международное научное сотрудничество и сделать его более плодотворным»⁵⁰.

К моменту запуска ПС совет ЦЕРНа, в который входили Бельгия, Дания, Франция, ФРГ, Греция, Италия, Нидерланды,

Норвегия, Испания, Швеция, Швейцария, Великобритания и Югославия, уже не раз успел собраться. В результате постановили организовать научную лабораторию недалеко от французской границы - рядом с деревушкой Мейрен, кантон Женева. А впечатляющий новый ускоритель только закрепил за центром репутацию мирового лидера в физике высоких энергий.

Лаборатории - в Беркли, Брукхейвене, ЦЕРНе - росли, как грибы после дождя. Чтобы составить им конкуренцию, Вильсону в Корнелле приходилось трудиться не покладая рук. Его организационный талант не подвергал сомнению никто. Но ему хотелось стать чем-то большим, чем ученым и руководителем. И Вильсон совершил весьма необычный поступок для человека, у которого было столько научных планов: решил попробовать себя в качестве скульптора. В 1961 г. он поехал в Рим и поступил в Академию изящных искусств, где познавал тонкости современной скульптуры. Его также интересовала архитектура и другие направления искусства композиции.

В 1967 г. Вильсону выпал шанс совместить все свои увлечения в одном деле. Он получил сложнейшую задачу спроектировать самую передовую ускорительную лабораторию Соединенных Штатов. Место под нее отвели примерно в 50 км к западу от Чикаго - среди кукурузных полей славящейся своими фермерскими угодьями Батавии, штат Иллинойс. В 1974 г. Национальная ускорительная лаборатория (первоначальное название) была переименована в честь Ферми. Будучи на посту руководителя, Вильсон пытался сделать лабораторию максимально открытой, чтобы проводить эксперименты по физике высоких энергий мог любой, независимо от положения в научной иерархии. Он хотел уйти от такой организации деятельности, когда всей научной частью заправляет горстка лидеров, как это было в случае с Резерфордом и Лоуренсом.

Второй целью Вильсона, успешно установившего в лаборатории демократичную атмосферу, было по возможности снизить расходы на постройку и обслуживание. Американская Комиссия по атомной энергии потребовала завершить строительство в 7-летний срок и готова была выделить максимум 250 миллионов долларов (на 90 миллионов меньше, чем изначально планировалось). Каким-то чудом у Вильсона получилось уложиться даже в меньшее время и не выйти за пределы бюджета. Причем запланированную энергию ускорителя Вильсон в итоге повысил более чем в 2 раза: с 200 до 400 с лишним ГэВ. Надо думать, он стремился к наибольшей мощности на один доллар.

Несмотря на скудные финансы, Вильсон уделил большое внимание и эстетической составляющей. Он лично принимал участие во всем, что касалось архитектуры и дизайна лаборатории. Центральная башня в футуристическом стиле из бетона и стекла - его заслуга, да и оттеняющие пейзаж новаторские скульптуры создал он. А специально нанятый оформитель раскрасил оборудование в яркие цвета. Экспериментальная установка в кои-то веки удостоилась внимания критика Кеннета Эверетта из «Нью Рипаблик», который охарактеризовал ее как «редкое сочетание художественного и научного задела»⁵¹. В творениях Вильсона, малобюджетных, но от того не менее изумительных, нашли отражение практичные 60-е.