Пол Хэлперн - Коллайдер

Любимый метод Резерфорда, засекавшего частицы по вспышкам на флуоресцентном экране, получил логическое продолжение в сцинтилляционных счетчиках. Пролетая через детектор, частица возбуждает электроны в атомах, которые затем излучают полученную энергию в виде света. Для этой цели хорошо подходят люминесцентные пластмассы с жидким фторсодержащим наполнителем. Фотоумножитель - это электронный прибор, способный усиливать тусклый свет (идущий, например, от сцинтиллятора) до такой степени, чтобы его можно было различить.

Принцип работы черенковского детектора зиждется на так называемом эффекте Вавилова-Черенкова. Его в 1934 г. экспериментально обнаружил работавший под руководством С.И. Вавилова П.А. Черенков из Физического института им. П.Н. Лебедева в Москве. Дело в том, что если частица движется в некотором веществе со скоростью, превышающей скорость света, она начинает излучать. Нельзя превзойти скорость света в вакууме, но в веществе свет замедляется, и тогда его удается обогнать. Известно, что, оказавшись рядом с реактивным самолетом, который разогнался до скорости звука, мы слышим громкий хлопок (нас настигает фронт звуковой ударной волны). Так и частицы, бегущие в веществе наперегонки со светом, испускают в устремленный вперед конус излучение, получившее название черенковского. На наше счастье, угол раствора конуса напрямую зависит от скорости частицы, позволяя экспериментально измерить этот важный параметр.

Следующий класс приборов - калориметры, с помощью которых ученые измеряют энергию частиц. В заполняющем их плотном материале возбуждаются распадные ливни, представляющие собой цепочку рождений пар и образования тормозного излучения (излучение, испускаемое замедляющимися частицами), в результате чего высвобождаются большие залежи энергии. Если получается зарегистрировать хотя бы определенную долю этой энергии, физики могут делать выводы о том, насколько энергичным было первоначальное событие. В электромагнитных калориметрах делается упор на каскады, вызываемые электромагнитными силами, а в адронных калориметрах орудуют сильные взаимодействия.

Адроны - это частицы, подверженные влиянию ядерных сил. К ним относятся протоны, нейтроны, различные типы мезонов и ряд более тяжелых частиц. Все они состоят из кварков. Лептоны же - это частицы, нечувствительные к сильному взаимодействию: электроны, позитроны, мюоны и нейтрино. В них нет кварков - это уже истинно элементарные частицы. Адронные калориметры не реагируют на лептоны, они ощущают только энергию адронов.

Помимо пузырьковых камер существует множество других приборов для измерения траекторий частиц. Для регистрации заряженных частиц хорошо подходят искровые камеры. Промелькнувшая частица вдоль своего пути ионизует газ, и в нем происходит напоминающий молнию разряд. Дрейфовые камеры устроены сложнее: для того чтобы измерить время пролета частицы между двумя заданными точками, в них используется электроника.

С изобретением компьютера физика высоких энергий обрела незаменимого помощника. Теперь ученые могли себе позволить прочесывать гигантские объемы данных в поисках намеков на интересные события. О том, чтобы без компьютера найти продукты редких распадов, можно было бы и не мечтать. Все равно что искать в лесу цветущий папоротник.

Ко времени вступления «Фермилаба» в строй в начале 70-х одна из особенностей его конструкции уже успела устареть. Еще со времен Резерфорда пучки в ускорителях били по неподвижным мишеням. А как диктуют законы сохранения, в таком случае львиную долю полной энергии столкновения уносят вторичные частицы, вылетающие с обратной стороны мишени. Лишь малая толика может быть обращена в массу новых частиц. Более того, выход полезной энергии в столкновениях с неподвижной мишенью растет довольно медленно - пропорционально корню из энергии пучка. Скажем, если в улучшенной модели ускорителя в протонах запасается в сто раз больше энергии, эффективная энергия получит только десятикратное приращение. Вдобавок к этому недостатку сам рождающийся пучок оказывался узким, усложняя экспериментаторам задачу регистрации испущенных частиц.

В далеком 1953 г. Видероэ словно предвидел эту проблему и запатентовал гораздо более совершенную разновидность ускорителя, который мы сегодня называем коллайдером 56. Он догадался, что, если сталкивать частицы лоб в лоб, можно будет уменьшить долю кинетической (связанной с движением) энергии и на выходе получить больше энергии для производства частиц. Тогда Видероэ работал инженером-технологом, поэтому неудивительно, что физическое сообщество прошло мимо его патента. А всего три года спустя идею о лобовом столкновении пучков независимо высказала группа трудившихся над синхротроном экспериментаторов во главе с Дональдом Керстом. От этого предложения, опубликованного в крупном журнале «Физикал Ревью» и обсужденного на симпозиуме ЦЕРНа в 1956 г., до резкого увеличения производительности ускорителей оставался один шаг, и вскоре коллайдеры стали обычным делом.

Можно попытаться ощутить разницу между ускорителем с неподвижной мишенью и коллайдером, обратившись к железнодорожным катастрофам. Если говорить о первом, представим себе потерявший управление локомотив, который сбоку врезается в товарный вагон, случайно очутившийся на пересечении двух путей. Один из вероятных исходов - товарный вагон после толчка начинает двигаться по своему пути, а локомотив продолжает ехать по своему. Все целы и невредимы. Основная часть энергии столкновения так и осталась кинетической.

А теперь пусть два локомотива (примерно одинаковых размеров и с близкими скоростями) несутся навстречу и впечатываются лоб в лоб. О счастливом конце здесь говорить не приходится. Львиную долю энергии мы, скорее всего, сможем наблюдать воочию в виде горящих обломков. То, что для диспетчера обернулось бы кошмаром, как раз по душе физикам, имеющим дело с ускорителями. Они только и ждут, чтобы подлить масла в огонь и выковать новые частицы.

На той самой церновской конференции физик из Принстона Джеральд О’Нейлл предложил реализовать коллайдер с помощью сообщающихся накопительных колец. По его задумке, ускоренные в синхротроне частицы нужно было распределить между двумя отдельными кольцами, где они циркулировали бы в разные стороны в ожидании столкновения в точке пересечения двух колец. Эта идея в 60-х и начале 70-х гг. воплотилась в нескольких электрон-позитронных коллайдерах. В частности, безусловным достижением стало строительство в 1972 г. Стэнфордского позитрон-электронного ускорительного кольца (SPEAR) в Стэнфордской лаборатории линейного ускорителя. Именно на нем, кроме всего прочего, Бертон Рихтер, проектировавший SPEAR, совместно с коллегами открыл частицу J/ψ («джей-пси», тяжелый мезон, состоящий из очарованных кварков и антикварков), а Мартин Перл обнаружил сверхтяжелый тау-лептон.