Коллайдер

Хэлперн Пол

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.

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.