Почему мы существуем? Величайшая из когда-либо рассказанных историй

Протоны имеют большую массу и, следовательно, большую энергию покоя, поэтому их проще разогнать до высоких энергий. В 1976 г. в ЦЕРН в Женеве был запущен Протонный суперсинхротрон (SPS) – традиционный ускоритель с фиксированной мишенью, работающий с протонным пучком с энергией 400 ГэВ. Однако к моменту его пуска на другом ускорителе в лаборатории имени Ферми возле Чикаго были уже получены протонные пучки с энергией 500 ГэВ. В июне того же года физики Карло Руббиа, Питер Макинтайр и Дэвид Клайн выдвинули на конференции по нейтрино смелое предложение: превратить SPS в машину для столкновений протонов с их античастицами – антипротонами, что потенциально должно было позволить ЦЕРН получить W- и Z-частицы.

Их дерзкая идея состояла в том, чтобы использовать один и тот же кольцевой туннель для ускорения протонов в одном направлении и антипротонов – в другом. Поскольку эти две частицы имеют противоположные электрические заряды, один и тот же ускоряющий механизм будет оказывать на них противоположное действие. Таким образом, на одном ускорителе принципиально возможно получить два высокоэнергетических пучка, циркулирующих по кольцу в противоположных направлениях.

Логика такого предложения была достаточно прозрачна, но с ее воплощением дело обстояло намного хуже. Прежде всего, учитывая силу слабого взаимодействия, для получения даже нескольких W- и Z-частиц потребовалось бы столкновение сотен миллиардов пар протонов и антипротонов. Но никому еще не удавалось получить и собрать достаточно антипротонов, чтобы сформировать из них пучок в ускорителе.

Далее, вам, наверное, представляется, что если два пучка движутся по одному и тому же туннелю в противоположных направлениях, то частицы в них будут сталкиваться друг с другом на всем протяжении туннеля, а не в детекторах, специально разработанных для регистрации и измерения характеристик продуктов столкновений. Однако на самом деле все обстояло совершенно не так. Сечение даже небольшого туннеля в сравнении с размером области, в которой протон и антипротон могут столкнуться, выглядит настолько огромным, что возникла обратная проблема. Казалось невозможным получить достаточно антипротонов и обеспечить, чтобы они и протоны во встречном пучке были достаточно сжаты, чтобы при сведении обоих пучков, направляемых мощными магнитами, наблюдались бы хоть какие-то столкновения.

Убедить директорат ЦЕРН переделать один из самых мощных в мире ускорителей, построенный в кольцевом туннеле длиной почти восемь километров на французско-швейцарской границе, в коллайдер нового типа было бы трудной задачей для большинства людей, но Карло Руббиа – воплощение харизматичной стихии – был на это вполне способен. Мало кто из тех, кто умудрился встать на пути Руббиа, не пожалел об этом впоследствии. На протяжении восемнадцати лет он еженедельно летал между ЦЕРН и Гарвардом, где был профессором. Его кабинет располагался двумя этажами ниже моего, но я всегда знал, когда он находился в городе, потому что мне его было слышно. Помимо того, что идея Руббиа была хороша, пробивая ее, он, по существу, предлагал ЦЕРН превратить SPS из отстающей машины в самый впечатляющий ускоритель мира. Шелдон Глэшоу сказал директорату Центра, побуждая их двигаться вперед: «Вы хотите ходить не спеша – или вы хотите летать?»

И все же, чтобы летать, нужны крылья, и разработка нового метода создания, хранения, разгона и фокусировки пучка антипротонов выпала на долю блестящего физика-ускорительщика из ЦЕРН Симона ван дер Мера. Его метод был настолько хитроумен, что многие физики, впервые услышав о нем, думали, что он нарушает некоторые фундаментальные принципы термодинамики. Характеристики частиц в пучке должны были измеряться в одном месте кольцевого туннеля, после чего на магниты дальше по туннелю поступал сигнал дать множество мелких корректирующих толчков пролетающим частицам пучка, слегка меняя таким образом энергии и импульсы попутных частиц, чтобы все они в итоге сфокусировались в узкий пучок. Этот метод, получивший название стохастического охлаждения, помогал добиться того, чтобы частицы, слегка отклонившиеся от центральной оси пучка, направлялись бы обратно в его середину.

Совместными усилиями ван дер Мер и Руббиа упорно проталкивали проект, и к 1981 г. коллайдер уже работал, как и планировалось, а Руббиа собрал крупнейшую физическую коллаборацию в истории и построил большой детектор, способный разобраться в миллиардах столкновений протонов с антипротонами в поисках горстки возможных W- и Z-частиц. Однако команда Руббиа была не единственной, кто занимался охотой на эти частицы. В ЦЕРН была собрана еще одна коллаборация и построен еще один детектор. В таких важных экспериментах избыточность представлялась вполне уместной.