Коллайдер

Хэлперн Пол

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.

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.