Бозон Хиггса. От научной идеи до открытия «частицы Бога» - Джим Бэгготт

Такие коллайдеры[113] впервые были сконструированы в 1970-х годах. SPEAR стал одним из первых, но в нем происходили лобовые столкновения между лептонами (электронами и позитронами). В 1971 году ЦЕРН закончил сооружение накопительного кольца со встречными пучками ISR, адронного (протон-протонного) коллайдера, где в качестве источника ускоренных протонов использовался протонный синхротрон на 26 ГэВ. Протоны сначала ускорялись в синхротроне, потом поступали в ISR, где и сталкивались. Однако максимальной энергии столкновения – 52 ГэВ – было недостаточно, чтобы обнаружить W– и Z-частицы.

В апреле 1976 года в ЦЕРНе собралась исследовательская группа, чтобы дать заключение по поводу нового крупного проекта – строительства Большого электронпозитронного коллайдера (БЭП). Его предполагалось построить в 27-километровом кольцевом туннеле у Женевы под швейцарско-французской границей. Протонный суперсинхротрон должен будет разгонять электроны и позитроны до скоростей близких к скорости света и инжектировать их в кольцо коллайдера. Сталкиваться будут частицы (в данном случае электроны) и их античастицы (позитроны), циркулирующие в противоположных направлениях по одному кольцу. Исходная расчетная энергия составляла 45 ГэВ для каждого пучка, что в сумме даст энергию лобовых столкновений 90 ГэВ и подведет БЭП к самой границе энергий W– и Z-частиц.

У американского физика Роберта Уилсона, директора Фермилаба, были еще более грандиозные планы. Он хотел построить адронный коллайдер, способный достигать энергии столкновения 1 ТэВ (1000 ГэВ, тераэлектронвольт, или триллион электронвольт). В итоге он получит название Тэватрон. Такой коллайдер потребовал бы для ускорения частиц еще неиспытанных сверхпроводящих магнитов. И пока это было всего лишь предположение.

В такой ситуации находились физики, изучавшие высокоэнергетические частицы, в 1976 году. Церновский протонный суперсинхротрон мог разгонять частицы до 400 ГэВ, а ISR мог достигать энергии столкновения 52 ГэВ, но ни первого, ни второго не хватало для обнаружения W– и Z-частиц. БЭП в принципе мог бы их обнаружить, но он начнет работу только в 1989 году. Главное кольцо Фермилаба могло разгонять частицы до 500 ГэВ, чего все так же недоставало для обнаружения W– и Z-частиц. Тэватрон, теоретически способный достичь энергии столкновения в 1 ТэВ, еще не сошел с чертежной доски.

Физикам не хватало терпения ждать. «Потребность обнаружить W– и Z-частицы была так сильна, – вспоминает физик ЦЕРНа Пьер Дарьюла, – что даже самые терпеливые из нас были недовольны долгим проектированием, разработкой и строительством БЭПа. Возможность поскорее (и, хорошо бы, без загрязнения) взглянуть на новые бозоны была бы очень кстати»[114]. Терпение заканчивалось и у физиков Фермилаба.

Физикам по обе стороны Атлантики нужно было придумать, как с помощью имеющихся возможностей добраться до этого важнейшего уровня энергии.

Один возможный выход появился в конце 1960-х. В принципе ускоритель частиц можно было превратить в адронный коллайдер: пустить пучки протонов и антипротонов по кольцу ускорителя в противоположных направлениях. Тогда пучки можно было бы привести к лобовому столкновению. Протон-протонный коллайдер требовал двух пересекающихся колец, в которых пучки протонов движутся в противоположных направлениях, но протонантипротонные столкновения можно было устроить в одном кольце. Тогда можно было бы достичь энергии столкновений, которая вдвое больше энергии ускорителя.

Но это было не так просто. Антипротоны получаются в результате столкновения высокоэнергетических протонов с неподвижными мишенями (например, медными). Нужен миллион таких столкновений, чтобы получился единственный антипротон. Хуже того, возникающие антипротоны имеют широкий диапазон энергий, слишком широкий, чтобы попасть в накопительное кольцо. Лишь небольшая доля полученных таким образом антипротонов может «вписаться» в кольцо, что значительно уменьшит и интенсивность антипротонного пучка, и светимость пучка – это параметр количества столкновений, которые может дать пучок.

Чтобы пучок антипротонов обладал достаточной светимостью для успеха экспериментов на протон-антипротонном коллайдере, требуется, чтобы энергия антипротонов каким-то образом «сконцентрировалась» на уровне желаемой энергии пучка.

К счастью, голландский физик Симон ван дер Мер придумал, как этого добиться. Ван дер Мер окончил инженерный факультет Дельфтского университета технологии в 1952 году. Он несколько лет был сотрудником Philips в Голландии и в 1956 году поступил в ЦЕРН. В ЦЕРНе он занялся теоретическими аспектами ускорителей, в основном практическим применением теоретических принципов к сооружению и работе ускорителей и коллайдеров.

В 1968 году ван дер Мер провел несколько спорных экспериментов на ISR, но внутренний отчет о своих находках опубликовал лишь четыре года спустя. Причина задержки была простая: физика, которой он тогда занимался, казалась полным безумием. В своем отчете он написал: «В то время идея казалась бездоказательной, чтобы ее публиковать»[115].

Его эксперименты 1968 года позволяли предположить, что действительно есть возможность сконцентрировать антипротоны с начальным распределением энергий в гораздо более узком диапазоне, необходимом, чтобы попасть в накопительное кольцо. В этом методе используется пикап – чувствительный электрод, который определяет антипротоны с энергией, не соответствующей желаемой энергии пучка, и посылает сигнал кикеру – электроду с другой стороны кольца, чтобы вернуть частицы «в строй». Пикап подает кикеру сигнал, как пастух овчарке. Получив команду, собака лаем сгоняет отбившихся овец в стадо, чтобы оно аккуратно вошло в загон.

Ван дер Мер назвал метод стохастическим охлаждением. Слово «стохастический» означает случайность, а «охлаждение» говорит не о температуре пучка, а о случайных движениях и распределении энергий частиц, удерживаемых внутри его. Если повторить процесс много миллионов раз, пучок постепенно сольется и приобретет желаемую энергию. В 1974 году ван дер Мер провел еще несколько испытаний стохастического охлаждения на ISR. Результаты он получил скромные, но достаточные, чтобы считать, что принцип работает.

Между тем Карло Руббиа перестал переживать, что его обогнали физики ЦЕРНа и не дали первым открыть слабые нейтральные токи. Свою докторскую степень Руббиа получил в 1959 году в «Скуола нормале» итальянского города Пиза. Он работал над физикой мюонов в Колумбийском университете, а затем перебрался в ЦЕРН в 1961 году. В 1970-м его он получил место профессора в Гарварде и проводил там один семестр в году, а остаток времени в ЦЕРНе. За постоянные перелеты студенты окрестили его «профессор Алиталия»[116].

Руббиа был упрямый и целеустремленный человек, известный среди коллег тяжелым характером[117]. Он твердо вознамерился никому не позволить обогнать себя в погоне за частицами W и Z.

Вместе с коллегами из Гарварда Руббиа в середине 1976 года представил Уилсону предложение превратить протонный синхротрон в Фермилабе на 500 ГэВ в про тонантипротонный коллайдер. Уилсон ему отказал, предпочитая сосредоточить усилия на том, чтобы заручиться поддержкой в пользу Тэватрона. Казалось, что метод стохастического охлаждения не сулит особых успехов. Если он не сработает, будет потеряно драгоценное время работы синхротрона. Уилсон согласился на эксперимент стоимостью полмиллиона долларов на небольшой установке, чтобы посмотреть, будет ли работать метод.

Руббиа попросту обратился со своим предложением в ЦЕРН к тогдашнему генеральному директору ЦЕРНа Леону ван Хове и встретил там гораздо более приветливый прием. К июню 1978 года новые испытания стохастического охлаждения в ЦЕРНе дали весьма воодушевляющие результаты, и ван Хове был готов рискнуть. Это давало ЦЕРНу возможность открыть новые частицы, то есть добиться того, что уже несколько лет было прерогативой американских лабораторий. Кроме того, если бы ван Хове не согласился, Руббиа, скорее всего, обратился бы к Леону Ледерману, который возглавил Фермилаб после отставки Уилсона в феврале[118]. «Пожалуй, если бы ЦЕРН не купил идею Карло [Руббиа], он продал бы ее Фермилабу», – рассказал Дарьюла[119].

Руббиа получил разрешение сформировать команду физиков, которая бы спроектировала сложный детектор, необходимый для обнаружения W– и Z-частиц. Под него отвели большой участок под землей на территории ПСС, и поэтому коллаборацию назвали «Подземная зона 1», или UA1. В дальнейшем группа вырастет и включит в себя около 130 физиков.

Через шесть месяцев была сформирована вторая, независимая коллаборация UA2 под руководством Дарьюла. Эта группа была поменьше и включала примерно 50 физиков, которые должны были составлять дружескую конкуренцию UA1. Предполагалось, что детектор UA2 будет менее сложным (например, он не сможет обнаруживать мюоны), но тем не менее сможет независимо подтвердить открытия эксперимента UA1.