Текст книги "В поисках частицы Бога, или Охота на бозон Хиггса"
Автор книги: Иэн Сэмпл
сообщить о нарушении
Текущая страница: 7 (всего у книги 18 страниц)
Огромные средства, инвестированные в ускорители в США и СССР, создали серьезную проблему для Европы, где наука после войны находилась в глубоком кризисе. Основные открытия в ядерной физике и физике элементарных частиц делались американскими и советскими учеными, а европейские физики теряли квалификацию или уезжали в основном в США, вливаясь в армию американских специалистов 9999
Абрахам Пайс описывает подъем физики в США сразу после Второй мировой войны в кн. “Inward Bound” (см. библиографию). На с. 473 он замечает: “Европейская наука и технология могут развиваться параллельно с развитием в других местах, но утечку мозгов можно замедлить, только объединив все силы”.
[Закрыть] .
Озабоченность по поводу будущего европейской науки побудила ведущих ученых, в том числе двух нобелевских лауреатов —француза Луи де Бройля и американца Исидора Раби, – лоббировать проект строительства огромной многонациональной лаборатории. Ее целью, говорили они, станет развитие сотрудничества между различными странами и возвращение европейских ученых на передовые позиции физики. Несколько встреч в начале 1950-х годов привели к тому, что для рассмотрения проектов был создан временный Европейский совет по ядерным исследованиям (Counseil Europeenne pour la Recherche Nucleaire) – ЦЕРН. В 1954 году двенадцать европейских стран ратифицировали решение о создании Европейской организации по ядерным исследованиям, которая должна была базироваться близ Женевы, в Швейцарии.
Европейская лаборатория была очень амбициозным проектом. Первый основной ускоритель в ЦЕРНе, протонный синхротрон, был шириной в 200 метров и едва умещался на футбольном поле. 24 ноября 1959 года в 19.35 ускоритель разогнал протоны до рекордной энергии 24 ГэВ – этот знаменательный момент в истории ЦЕРНа отмечен в лабораторном журнале. На следующее утро Джон Адамс, будущий генеральный директор ЦЕРНа, объявил об успехе, сжимая в поднятой руке пустую бутылку из-под водки 100100
В фотоархиве ЦЕРНа имеется прекрасная фотографии Адамса с пустой бутылкой (Cern Document Server, Record 39074).
[Закрыть] . Эту бутылку водки прислали ученые из Дубны – с условием, что их европейские коллеги разопьют ее только тогда, когда ЦЕРН побьет рекорд дубнинцев. В тот же день Адамс отослал бутылку обратно, только вместо водки там лежал поляроидный снимок с экрана дисплея, демонстрирующий сгусток летящих протонов с энергией 24 ГэВ.
ЦЕРН стал поистине центром притяжения для всех европейских физиков, занимающихся элементарными частицами. Но строительство самого ускорителя было только половиной дела. Прежде чем использовать установку в качестве научного инструмента, физики должны были построить и установить детекторы, позволяющие увидеть, что происходит, когда частицы с высокими энергиями врезаются в материал мишеней. Детекторы имели специальную конструкцию для обнаружения новых явлений, таких как нейтральные токи или W-частицы. Это были сложнейшие инженерные сооружения, и, чтобы их сконструировать и построить, понадобились годы.
Однако и по другую сторону Атлантики тоже не спали. Пока в ЦЕРНе осваивали свой, церновский, ускоритель, в США вводились в строй научные центры с оборудованием стоимостью много миллионов долларов, и размеры американских ускорителей измерялись в милях и километрах, а не в футах и метрах. В Менло-Парке, в Стэнфорде, был запущен трехкилометровый линейный ускоритель, а примерно в сорока милях к западу от Чикаго, в прериях, на площади 6800 гектаров строился другой крупный объект – Национальная ускорительная лаборатория, Фермилаб.
В Брукхейвенской национальной лаборатории инженеры построили огромный синхротрон с переменным градиентом, на какое-то время ставший самым мощным ускорителем частиц в мире – энергия частиц в нем достигала 33 ГэВ. Благодаря этой установке американцы получили три Нобелевские премии. В 1962 году Леон Ледерман и его коллеги открыли частицы, называемые мюонными нейтрино, а в 1974 году брукхейвенские физики и ядерщики, работавшие на линейном ускорителе Стэнфордского университета, совместными усилиями обнаружили J/PSI-мезоны, которые помогли доказать существование нового типа кварков – так называемых очарованных кварков.
Архитектор и будущий руководитель лаборатории под Чикаго Роберт Уилсон, бывший руководитель отдела экспериментальной ядерной физики в Манхэттенском проекте и бывший аспирант Эрнеста Лоуренса, считал себя человеком нового Возрождения. Будучи хорошим скульптором, он воспринимал ускорители как храмы современной эпохи. Свое видение нового ускорителя в Чикаго, играющего в жизни общества, как он говорил, “в первую очередь духовную роль”, он описал так: “Это будет сооружение невиданной красоты, гармонизирующее наше бытие”.
Уилсон вырос на семейном ранчо в штате Вайоминг, где разводили крупный рогатый скот, и там стал заправским ковбоем 101101
Детальный портрет Роберта Уилсона и описание его работы в Фермилабе см. в кн.: L. Hoddeson, A. W. Kolb and С. Westfall. Fermilab: Physics, the Frontier and Megascience. University of Chicago Press, 2008.
[Закрыть] . Эдвин Гольдвассер, заместитель Уилсона в Манхэттенском проекте, рассказывал, что Уилсон мог “если это было необходимо, ловко набросить лассо на любого из трех своих сыновей, когда они были маленькими”. Когда какой-то механизм ломался, юный Уилсон вместо того, чтобы отправиться за запчастями в долгую поездку на лошади в соседний город, шел в местную кузницу и выковывал деталь сам. Этот опыт во многом определил его характер. “Я уверен, что человек способен своими собственными руками построить самые хитроумные механизмы, а потом заставить их работать”, – говаривал он.
Уилсон стал кандидатом на должность руководителя чикагской лаборатории в 1965 году, когда он разрабатывал конструкции ускорителей в Корнеллском университете. В это время Комиссия по атомной энергетике США попросила ученых представить свои планы по строительству новой установки. Одно предложение из бывшей лаборатории Уилсона в Беркли оказалось на его столе. Уилсон детально изучил это предложение и подверг его резкой критике: ускоритель был спроектирован с избыточным запасом прочности и соответственно завышенной стоимостью в 340 млндолларов. Эта цифра показалась ему неоправданно высокой. Уилсон боялся, что непомерные расходы на ускорители вообще могут погубить физику элементарных частиц. Если речь шла о крупных проектах, Уилсон всегда становился бережливым. Он понимал, что, когда какая-то научная установка создается впервые, ее, как правило, проектируют с завышенным запасом прочности и, следовательно, процесс строительства будет дорогим и слишком долгим.
Два года спустя комиссия, рассмотрев более ста предложений по конструкциям ускорителей, призвала Уилсона и попросила его построить лабораторию так, как он считал нужным. Когда строительные работы начались, Уилсона вызвали на слушания в Объединенный комитет конгресса по атомной энергии, где он должен был ответить на вопросы по проекту. В слушаниях, состоявшихся в 1969 году сенатор Джон Пасторе попросил Уилсона объяснить, как данный объект будет способствовать укреплению национальной безопасности. Уилсон ответил, что цель проекта не имеет ничего общего с безопасностью. Тогда Пасторе строго спросил ученого, а вообще зачем нужен ускоритель, каково его предназначение. На этот вопрос сенатора Уилсон ответил так: “Ускоритель имеет отношение только к уважению, с которым мы относимся друг к другу, к достоинству людей и нашему почитанию культуры. Он имеет отношение к тому, насколько мы хорошие художники, скульпторы, большие ли поэты. Я имею в виду все, что мы действительно ценим в нашей стране и на чем основывается наш патриотизм. Ускоритель не имеет отношения непосредственно к защите нашей страны, но имеет отношение к тому, ради чего ее стоит защищать” 102102
Описание этого обмена репликами, доставляющее истинное наслаждение, см. в кн.: Robert P. Crease Charles С Mann. The Second Creation: Makers of the Revolution in Twentieth-Century Physics. MacMillan. 1986.
[Закрыть] .
Вопрос Пасторе не выглядел странным, учитывая, что дело происходило в разгар холодной войны. Политики надеялись, что ускоритель сможет подсказать, как сделать бомбы еще более разрушительными или защитить страну от внешних агрессоров. Однако предназначение ускорителя было совсем иным – его создавали, чтобы понять, какие физические законы работают в природе. А применения этим знаниям в ближайшие десятилетия могло и не найтись. Строительство все более мощных ускорителей, несомненно, шло на пользу военным, но только косвенно, поскольку способствовало подготовке множества высококвалифицированных физиков и инженеров, специалистов в области сложнейшей электроники.
Под руководством Уилсона сооружение ускорителя в Национальной ускорительной лаборатории было закончено раньше запланированного срока; более того, пучки в нем сумели разогнать до энергий более 500 ГэВ, что более чем в два раза превысило первоначально запланированный уровень, и все это сделали не выходя за рамки бюджета. Откуда возникла экономия, понять легко. Здания были построены кое-как. Туннели, вырытые для ускорителя, текли. Научного оборудования было мало, а некоторые нужные приборы просто отсутствовали. Уилсон не расстраивался. Он просмотрел список экспериментов, которые физики предложили провести на ускорителе. Как и в ЦЕРНе, отобранные эксперименты определили тип необходимых детекторов, которые нужно было монтировать сразу после сооружения самого ускорителя.
Руководство проектом во время строительства и успешный пуск сделали Уилсона в Вашингтоне настоящим героем. Но триумф продлился недолго. После окончания работ осталось 6 млн долларов, и Уилсон решил, что нет ничего предосудительного в том, чтобы потратить их на строительство не большого бустерного ускорителя (ускорителя-инжектора), который мог бы удвоить энергию пучков в ускорителе. Когда в Вашингтоне стало известно об этих планах, почему-то никто в восторг не пришел. Уилсона стали донимать звонками. Не помогло и то, что он даже спрятал телефон в своем кабинете 103103
По поводу этой и других причуд Уилсона см. там же.
[Закрыть].
В начале 1970-х ЦЕРН и Национальная ускорительная лаборатория в Чикаго впервые сравнялись в шансах выиграть гонку. У американских физиков было намного больше опыта, зато их лаборатория была хуже оснащена – при строительстве руководство старалось сэкономить деньги. В ЦЕРНе же европейские ученые по-прежнему сражались за новые технологии и отчаянно пытались вернуть себе достойное место в научной мировой элите. В обеих лабораториях главным приоритетом стали поиски доказательств теории электрослабых взаимодействий.
Физики и в ЦЕРНе и в Национальной ускорительной лаборатории проводили похожие эксперименты. В обоих ускорителях создавались пучки частиц, называемых нейтрино, которые перемещаются со скоростями близкими к скорости света и проходят через обычное вещество почти не рассеиваясь. Теоретики рассчитали, что в тех крайне редких случаях, когда нейтрино непосредственно налетает на другую частицу, оно отскакивает от нее, причем на картине треков можно будет увидеть про явление электрослабого взаимодействия.
В ЦЕРНе надежды на открытие возлагались на команду, возглавляемую французским физике Андре Лагарригом, и на ее 5-метровый детектор “Гаргамель”. названный в честь матери великана Гаргантюа. героя знаменитого романа Франсуа Рабле, написанного в XVI веке. “Гаргамель” принадлежал к типу детекторов, называемых пузырьковыми камерами. Благодаря их изобретению физики получили множество прекрасных изображений треков частиц. “Гаргамель” подготовили к работе, заполнив камеру 4,5 тонны фреона —жидкостью, которая циркулирует и в холодильниках. Во время эксперимента большой поршень, присоединенный к камере “Гаргамели”, вытягивался, чтобы уменьшить давление внутри детектора. При этом фреон переходил в нестабильное состояние, возникающее вблизи точки кипения. Если нейтрино врезался в электрон внутри детектора, отрикошетивший электрон пролетал через фреон, оставляя след в виде цепочки пузырьков на своем пути. С помощью триггера включалась лампа-вспышка, и след движущейся частицы снимался на пленку.
Эксперименты на “Гаргамели” шли с осени 1972 года до весны 1973-го. То там, то здесь фотографии с детектора демонстрировали треки, похожие на треки от нейтральных токов, предсказанных в электрослабой теории 104104
На нейтрино не действуют электромагнитные силы, и, поскольку они имеют крошечные массы, сила тяжести на них тоже почти не действует, зато они чувствуют слабые силы, что делает их идеальными объектами для изучения слабых взаимодействий.
[Закрыть] . Однако большинство ученых в ЦЕРНе все же не были уверены в правильности такой интерпретации. Многие тогда считали, что вероятность появления нейтральных токов столь мала, что их вряд ли когда-нибудь удастся увидеть.
В декабре Франц Йозеф Хасерт, аспирант Ахенского университета (Германия), просматривал снимки, сделанные в ходе эксперимента на Гаргамели”. Вдруг на одной из фотографий он заметил необычный спиральный след, обладающий всеми при знаками нейтрального тока. Хасерт показал снимок своему научному руководителю, а тот – Фейснеру, главе команды “Гаргамель” в Ахене. Фейснер сразу понял: это именно то, чего они все так ждали! Через несколько дней он положил фотографию в портфель и полетел в Англию, показывать ее Дональду Перкинсу, члену команды “Гаргамели” из Оксфордского университета.
В экспериментах на “Гаргамели” физики сделали 1,4 миллиона фотографий треков частиц. И среди этого огромного количества снимков можно было, как посчитали ученые, найти где-то от пяти до тридцати треков, вызванных нейтральными токами. Каждую фотографию следовало детально рассмотреть на световом столе. Это была утомительная, скучная, но необходимая работа. “Легко представить, что это был за кошмар”, – говорил позже Перкинс. К декабрю команда “Гаргамели” просмотрела только 100 000 снимков. Со временем они изучили и оставшиеся 1,3 миллиона. И нашли всего два изображения, похожие на следы нейтральных токов.
В начале следующего года Фейснер написал письмо Лагарригу, описывая полученное изображение: “Эта картинка нас сильно возбудила. На ней был достойнейший кандидат на роль нейтрального тока”. Однако как ни убедителен был снимок, физики в ЦЕРНе знали – им нужно получить еще много подобных фотографий, чтобы твердо знать, они видят те самые нейтральные токи. Но ученые уже почувствовали пьянящий запах близкого открытия...
Они вытащили свои старые пленки и принялись перепроверять изображения, чтобы убедиться, что ничего не пропустили. К делу подключились команды из других европейских стран. Для удобства фотографии сильно увеличивали, и теперь каждый мог их рассмотреть. Стоя вокруг стола, на котором лежала обсуждаемая фотография, физики спорили о происхождении какой-нибудь подозрительной полоски или симпатичного завитка. Это нейтральный ток или нечто другое? Если возникали сомнения, изображение тут же забраковывалось и откладывалось в сторону 105105
Peter Galison. The discovery of neutral currents. In Weak Neutral Currents, edited by David B. Cline. Westview Press, 1997.
[Закрыть] .
18 июля 1973 года Лагарриг проходил мимо полки с дневной почтой ЦЕРНа. Там лежало письмо от Карло Руббиа, возглавлявшего команду охотников за нейтральными токами в Национальной ускорительной лаборатории в Чикаго 106106
Оригинальное описание этого эпизода см. в статьях: Peter Galison. The discovery of neutral currents (см. выше); John Krige. Distrust and discovery: the case of the heavy bosons at Cern. Isis Vol. 92. September 2001.
[Закрыть] . Руббиа писал, что до него дошли слухи, будто ЦЕРН готов официально объявить об открытии нейтральных токов. Он сообщил, что у его собственной команды около 100 отчетливых изображений нейтральных токов и они готовят статью об этом. Руббиа завершал письмо предложением: обе команды признают открытия друг друга и разделяют лавры первооткрывателей. Лагарриг почувствовал – тут что-то не так. Подумав, он решил, что конкурирующие команды должны объявить о своих открытиях по отдельности, и отказался от предложения Руббиа. Его команда, писал Лагаррик своему американскому коллеге, планирует сделать объявление об открытии в течение ближайших двадцати четырех часов. Поль Мюссе, еще один физик из команды “Гаргамели”, провел семинар в ЦЕРНе, где объявил об открытии нейтральных токов. Четыре дня спустя группа послала свою работу по нейтральным токам в журнал “Physics Letters”. Через две недели Карло Руббиа тоже послал статью своей команды в американский журнал “Physical Review Letters”. Однако на этом гонка отнюдь не завершилась. Редакторы журналов направили обе статьи рецензентам, и в обоих случаях они вернулись к авторам с замечаниями. Вопрос о том, кто получит лавры победителя, повис в воздухе.
В сентябре того же года физики, работавшие в области элементарных частиц, собрались в городке Экс-ан-Прованс на юге Франции на одну из главных конференций в академическом сообществе. Поль Мюссе, решив отправиться туда на машине, выехал из ЦЕРНа и взял направление на юг. Въехав в Экс-ан-Прованс, он увидел двух человек у железнодорожного вокзала, тащивших тяжелые чемоданы и направлявшихся, скорее всего, в гостиницу. Мюссе притормозил. “Вы Салам?” – окликнул он одного из мужчин. Абдус Салам (а это был действительно он, тот самый Салам, разработавший теорию электрослабого взаимодействия независимо от Стивена Вайнберга) ответил утвердительно. “Садитесь в машину, у меня для вас новости, – сказал Мюссе. Мы обнаружили нейтральные токи” 107107
Selected Papers of Abdus Salam. World Scientific, 1994.
[Закрыть] .
В том же месяце в “Physics Letters” была опубликована статья команды “Гаргамель по нейтральным токам. Она утвердила приоритет открытия за ЦЕРНом и таким образом прославила его. Однако ликование длилось недолго.
В Национальной ускорительной лаборатории в Чикаго команда Руббиа приостановила публикацию своей статьи. Незадолго до того физики решили отрегулировать детектор, чтобы улучшить его характеристики. Было решено пока задержать выход статьи – вдруг удастся получить лучшие результаты. Однако когда детектор заработал снова, результаты резко ухудшились. Треки, которые раньше выглядели как следы нейтральных токов, исчезли!
К ноябрю американская команда полностью поменяла свою точку зрения на ситуацию с нейтральными токами. Их обновленный детектор не фиксировал токов. Физики быстро подготовили черновик статьи, в которой описали причины отказа от выводов своей первой статьи. Заключение маститых специалистов из Фермилаба и университетов Гарварда, Пенсильвании и Висконсина могло нанести мощный удар по репутации ЦЕРНа и дискредитировать выводы европейских ученых.
Несколько недель спустя Карло Руббиа прибыл в ЦЕРН с письмом для Лагаррига от ученых из Национальной лаборатории. Там были плохие новости. “Мы написали статью, – сообщали американцы, —предназначенную для публикации в “Physical Review Letters”, которая скоро будет послана в редакцию. Копия, конечно, будет направлена вам, но по очевидным причинам мы хотели бы неофициально поделиться нашими результатами до ее публикации”. Лагарриг показал письмо членам своей группы. Когда уже все в ЦЕРНе знали о послании американцев, генеральный директор ЦЕРНа Вилли Йенчке созвал срочное заседание группы “Гаргамели” и устроил перекрестный допрос по поводу надежности их результатов 108108
Galison (см. выше).
[Закрыть] . Если команда Руббиа права, ЦЕРН должен был пройти через ужасное унижение. Однако сотрудники “Гаргамели” стояли на своем. Они рассмотрели все процессы, способные привести к появлению подобных треков в детекторе и исключили все, кроме нейтральных токов. Наши результаты правильны, утверждали они, независимо от того, что получилось у американцев.
Вскоре после возвращения Руббиа из ЦЕРНа у его группы в Национальной ускорительной лаборатории возникли очередные сомнения. Один из членов команды, Дэвид Клайн, заметил восемь событий, зарегистрированных детектором и убедительно свидетельствующих о присутствии нейтральных токов. И теперь вместо того, чтобы отправить вторую статью, в которой авторы похоронили надежду их обнаружить, американская команда опять вернулась к своей первоначальной статье, уже пролежавшей более четырех месяцев в издательстве журнала. Они слегка переделали ее. Вся эта история с очевидностью продемонстрировала не только то, что американская команда находилась под огромным давлением, но и то, что для понимания процессов, происходящих в сложных установках, нужен большой опыт. Остряки шутили, что американские физики охотились на “переменные нейтральные токи”. Работа чикагских физиков была опубликована в апреле 1974 года.
Интенсивные усилия по обнаружению ней тральных токов изнурили команды и в ЦЕРНе, и в Национальной ускорительной лаборатории (вскоре после этого переименованной в Фермилаб). Но результат стоил таких усилий. Это было первое доказательство того, что теория электрослабых взаимодействий правильна и что на ранней стадии развития Вселенной электромагнитное и слабое взаимодействия были объединены.
Не так много научных открытий было должным образом оценено современниками. Поначалу открытия часто кажутся непонятными, загадочными и не имеющими никакого практического применения. Затем, по мере того как растет число ученых, работающих в данной области, значимость их становится ясна. Нейтральные токи – отличный тому пример. Более чем через десять лет после того, как они были обнаружены, ученые начали подозревать, что эти токи играют решающую роль в судьбах умирающих звезд. Судьба стареющих звезд – одна из величайших загадок Вселенной: казалось бы, их свечение в конце жизни должно постепенно ослабевать и в конце концов совсем затухнуть. Однако вместо этого старая звезда вдруг эффектно взрывается с образованием сверхновой! Считается, что в таких сверхновых звездах высвобождается столько энергии, сколько выделит Солнце за всю свою жизнь. Смертельная агония звезды выглядит действительно драматично.
По всей видимости, нейтральные токи управляют взрывами сверхновых звезд, и в процессе таких взрывов и образуются все тяжелые элементы – те самые, что когда-то попали на Землю и без которых жизнь на нашей планете никогда бы не возникла.
Может оказаться, что нейтральные токи регулируют и другие процессы в окружающем нас мире – так, вероятно, именно они отвечают за асимметрию молекул. Действительно, многие молекулы существуют в двух формах, которые во всем идентичны за исключением того, что они зеркально отображают друг друга. Ученые называют их левыми и правыми формами. (Такой вид симметрии называется “хиральность”.) Одна из причуд природы состоит в том, что в некоторых случаях очень важно какая молекула участвует в процессе – правая или левая.
Ричард Фейнман продемонстрировал это свойство молекулярной асимметрии в своих корнеллских лекциях, опубликованных в 1965 году. Фейнман описал эксперимент получения сахара из простейших ингредиентов. Молекулы сахара не сложные – они состоят из 12 атомов углерода, 22 атомов водорода и и атомов кислорода. Что произойдет, если вы положите такой синтетический сахар в небольшое количество воды и добавите бактерии? Оказывается, бактерии съедят только половину сахара. И вот почему. Синтетический сахар содержит равное количество левых и правых молекул. Оба вида молекул химически идентичны, но симметрия их зеркальная. В природе по неизвестным пока причинам молекулы сахара существуют лишь в правой форме, и бактерии эволюционировали так, что могут переварить только эту форму. Если они сталкиваются с левыми молекулами сахара, они их не трогают, потому что просто не знают, что с ними делать. Асимметрия в прямом смысле заложена в наших генах. Двойные спирали нашей ДНК, как и аминокислоты, из которых они сделаны, – “левые”. Происхождение этой асимметрии в природе —одна из самых интригующих загадок биологии.
Ее вероятную разгадку предложил в 1984 году Стивен Мейсон, химик из лодонского Королевского колледжа. Такие частицы, как электроны и кварки, имеют спин, собственный момент количества движения, и он тоже бывает левым или правым. Сила, переносчиками которой являются Z-частицы, действует только на частицы с левым спином. Расчеты Мейсона показали, что, если принять во внимание этот факт, левые формы аминокислот и правые формы сахаров оказываются устойчивее, чем их зеркальные партнеры. Может быть, еще до появления жизни на Земле нейтральные токи сделали некоторые молекулы более стабильными, и они постепенно стали доминантными формами во Вселенной.
Причины асимметрии в природе имеют не только научный интерес. Понять, почему левые и правые молекулы ведут себя по-разному, очень важно для медицины. В 1960-х годах тысячи женщин, ждущих ребенка, чтобы справиться с утренней тошнотой, принимали на ранних стадиях беременности препарат талидомид. Оценки показали, что непосредственным результатом приема этого препарата явилось рождение более 10 000 детей с серьезными дефектами. У многих из них отсутствовали руки и ноги. Препарат вызывал неправильное развитие глаз и ушей, наносил вред сердцу, почкам, пищеварительной системе, половым органам и нервной системе младенцев. Чтобы возник такой сбой в развитии плода, было достаточно разовой дозы препарата. Препарат изготавливался в виде смеси “левых” и “правых” молекул, но ученые теперь знают, что утреннюю тошноту помогала снимать только одна форма, а другая, вероятно, сдерживала активность генов развивающегося эмбриона и вызывала врожденные пороки. Лекарство безопасно, если оно содержит только одну форму молекул.
Роль нейтральных токов в жизни на Земле заинтриговала Абдуса Салама через много лет после того, как он выдвинул идею объединения электромагнитных и слабых взаимодействий. В 1988 году на лекции, посвященной памяти Поля Дирака, он сказал: “Сегодня в научном сообществе все более и более растет уверенность в том, что электрослабая сила является настоящей “силой жизни” и что Бог создал Z-частицы, дабы обеспечить асимметрию “молекул жизни”.
ЦЕРН отметил свой первый крупный успех – открытие нейтральных токов. Эти мимолетные свидетельства того, что теория электрослабых взаимодействий правильна, убедили всех, что и W– и Z-частицы все-таки существуют. Теперь целью ученых стало обнаружение загадочных частиц, поскольку только это бесспорно доказало бы правильность теории электрослабых взаимодействий.
Но тут на пути физиков встало серьезное препятствие. Оказалось, что W– и Z-частицы очень неустойчивы, время жизни их чрезвычайно мало. То есть требовалось их создать искусственно, и задача сия не обещала быть легкой. В 1970-х годах ни один из готовых или еще строившихся ускорителей не мог развить достаточно энергии, чтобы там родились эти частицы. У физиков было два варианта: либо ждать, пока появятся время и деньги на строительство более крупных и мощных ускорителей нового поколения, либо быстро придумать и сконструировать какой-либо паллиатив.
В первых ускорителях высоких энергий использовались пучки частиц, врезающихся в мишени и разрушающих вещество с помощью грубой силы. Чем меньшие фрагменты вы хотели изучать, тем большие энергии нужно было получить. Чтобы отодрать электроны от атома, требуется относительно мало энергии, потому что электроны в атоме связаны с ядром обычными электрическими силами. Ядра же – крепкие орешки: частицы внутриядерные – протоны и нейтроны – связаны друг с другом сильным взаимодействием (гораздо более сильным, чем электромагнитное).
Следующее поколение ускорителей должно было разгонять пучки до еще более высоких энергий. Большинство частиц, интересовавших физиков, не существует в свободном виде в природе, а потому они должны быть созданы искусственно. Возможность этого ясна из уравнения Эйнштейна Е=mc 2. В новых ускорителях частицы создавались непосредственно из выделяемой энергии при бомбардировке мишени пучками высоких энергий. Согласно расчетам теоретиков, для получения Z-частицы необходима полная энергия столкновений не меньше 92 ГэВ, а для получения W-частиц – около 160 ГэВ (энергия каждой равняется 80 ГэВ, а рождаются они парами).
В конце 1960-х годов Герш Ицкович Будкер, одаренный советский физик, основатель и первый директор новосибирского Института ядерной физики СО АН СССР, к тому же обладавший явной предпринимательской жилкой (Будкер и его коллеги поставили работу на коммерческую основу – они продавали создаваемые ими ускорители и их части, в том числе и за границу, а на вырученные деньги проводили свои исследования), выдвинул радикальную идею значительного наращивания энергии ускорителей. Будкер придумал конструкцию ускорителя, в котором вместо того, чтобы нацеливать ускоренные частицы на неподвижные мишени, пучки протонов направляли навстречу пучкам антипротонов – аналогов протонов в мире антиматерии. При таком соударении должна была выделяться огромная энергия.
Идея заставить частицы сталкиваться лоб в лоб была не нова. Несколько команд, работающих на ускорителях, уже проверили возможность реализовать эту идею и доказали ее работоспособность. Преимущество этого способа становится ясным, если представить себе вместо частиц автомобили. Когда одна машина врезается в другую, припаркованную, большое количество энергии идет на то, чтобы проволочь стоящий автомобиль вперед. То же самое происходит и в ускорителях. Когда частицы с высокими энергиями врезаются в неподвижные, много энергии тратится впустую – на то, чтобы частицы мишени затолкнуть внутрь. При лобовом столкновении дела обстоят совсем иначе. Когда две частицы на высоких скоростях сталкиваются лоб в лоб, они останавливаются, и почти вся высвободившаяся энергия может быть использована на образование новых частиц.
Гениальность предложения Будкера состояла в идее использования антивещества. Частицы антивещества имеют точно такую же массу, что и их партнеры, но равный и противоположный по знаку электрический заряд. Это означает, что вы можете запустить протоны и антипротоны в ускоритель и получить пучки, закручивающиеся в противоположных направлениях, при этом даже не потребуются деньги на модификацию установки, поскольку она не нужна. Все, что необходимо сделать, – это столкнуть пучки внутри детектора и сделать снимки осколков, выбрасываемых при таком жестком столкновении.
Однако было одно препятствие, которое угрожало сорвать планы Будкера. С антиматерией трудно иметь дело. Ученые тогда еще не умели создавать из античастиц чистые пучки высокой энергии. Но Г. И. Будкер в Новосибирске и ведущий физик ЦЕРНа Симон ван дер Меер, работая над этой проблемой, нащупали какое-то перспективное решение. Они показали, что, если достаточно интенсивные пучки антипротонов охладить, они будут вести себя достаточно стабильно. Если пучки нормальных протонов создают, ускоряя ядра водорода, вылетающие прямо из газгольдера (потом их легко заставить двигаться в одном направлении), то антипротоны можно получить, только направив пучки протонов на металлическую мишень и собрав случайно вылетающие частицы антивещества. Антипротоны, полученные таким способом, представляют собой ансамбль античастиц с различными энергиями. По идее охлаждение должно было превратить их в тонкие, однородные пучки.
Летом 1976 года в активе Фермилаба имелось пять предложений по преобразованию ускорителя в протон-антипротонный коллайдер. Два из них поступили от членов команды Карло Руббиа. После детального обсуждения наблюдательный комитет отверг все пять на том основании, что еще слишком рано решать вопрос о выборе будущей тематики лаборатории. Вместо этого наблюдательный комитет решил, что нужно провести более глубокие исследования. Воспользовавшись ситуацией, Уилсон запросил 490 тыс. долларов на сооружение небольшой установки для проверки возможности охлаждения пучков антивещества.
Руббиа был разочарован. Причем настолько, что даже покинул США, пересек Атлантический океан и предложил свой проект ЦЕРНу. Европейцы тогда только что запустили новый ускоритель элементарных частиц – суперпротонный синхротрон (SPS), в котором в подземном кольце диаметром около 7 километров частицы разгонялись, после чего врезались в твердые металлические мишени. В ЦЕРНе Руббиа увидел желание рискнуть. Генеральный директор по исследованиям Леон Ван Хов боялся, что Фермилаб опередит их, поскольку американский ускоритель работал на энергиях 500 ГэВ, что на 100 ГэВ превышало энергию церновского ускорителя. И тогда Ван Хов приложил гигантские усилия, чтобы добиться разрешения на превращение ускорителя в протон-антипротонный коллайдер. Ван Хов решил, что так он обретет шанс первым найти W– и Z-частицы. В обращении к сотрудникам он написал, что в противном случае ЦЕРН обречен лишь на “повторение, пусть и на более высоком уровне, экспериментов, уже сделанных или подготовленных к проведению на ускорителе в Фермилабе” 109109
Krige, 2001.
[Закрыть] . В физике нужно уметь рисковать, если вы хотите получить “что-то большее, чем просто хлеб с маслом”.
