Иэн Сэмпл - В поисках частицы Бога, или Охота на бозон Хиггса

По мере того как ускорители становились все более мощными, появлялись и новые технические проблемы. Действительно, частицы внутри установки разгонялись почти до скорости света. В таких условиях дальнейшее увеличение энергии мало что давало в смысле увеличения скорости. Вместо этого (и в соответствии с теорией относительности Эйнштейна) дополнительная энергия изменяла орбиты частиц, и для сохранения постоянной длины траектории ученые ввели в систему электрические поля переменной частоты. Эти более современные установки, получившие название синхроциклотроны, стали следующим поколением ускорителей 98 98 Gordon Fraser. The Quark Machines: How Europe Fought the Particle Physics War. Taylor & Francis, 1997. .

Во время холодной войны соревнование в строительстве гигантских ускорителей частиц в США и Советском Союзе шло параллельно с состязанием в космических исследованиях. Оба государства считали необходимым вкладывать деньги в строительство ускорителей, ведь все помнили, что именно знание структуры атома в конце концов обеспечило создание атомной бомбы и победу союзников во Второй мировой войне. Получение информации об атоме и энергии, заключенной внутри его, было вопросом национальной безопасности, и ведущие страны мира продолжали гонку, практически не считаясь с затратами. Когда одна строила огромный ускоритель, другая старалась построить еще больший.

1950-е годы были периодом расцвета ядерной физики: строились большие ускорители, более десятка уже работали или сооружались в разных странах. В Брукхейвенской национальной лаборатории на Лонг-Айленде (районе Нью-Йорка) работал ускоритель “Космотрон” с энергией частиц 3 ГэВ. В Беркли, близ Сан-Франциско, на ускорителе “Беватрон” была достигнута рекордная энергия 6,2 ГэВ. В 1957 году СССР ответил запуском ускорителя в Дубне — городке, расположенном к северу от Москвы, на котором пучки частиц разгонялись до энергий 10 ГэВ. В том же году СССР запустил первый в мире искусственный спутник. Это произошло через тридцать лет после того, как Уолтон и Кокрофт построили свой первый ускоритель. К этому времени ученые уже научились разгонять частицы до энергий в 50 000 раз выше, чем на первых установках.

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 99 99 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”. .

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 100 100 В фотоархиве ЦЕРНа имеется прекрасная фотографии Адамса с пустой бутылкой (Cern Document Server, Record 39074). . 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”.