Розділ без назви (32)

І коли вдарить тебе хто у праву щоку твою, підстав йому й другу.

Від Матвія 5:39

Завершивши 1970-ті роки, фізики-теоретики перебували на вершині світу, вони тріумфували й торжествували. Ураховуючи стрімкість прогресу, що привів до створення Стандартної моделі, які світи буде підкорено далі? Мрії про теорію всього, які тривалий час перебували в сплячці, почали поволі пробуджуватися знову, причому не лише в тьмяних закутках колективної підсвідомості теоретиків.

Утім, калібрувальні W- та Z-частинки так ніхто на ділі й не побачив, і завдання організувати їхнє безпосереднє спостереження було вельми страхітливим. Було точно передбачено, що їхні маси приблизно в дев’яносто разів більші за масу протона. Складність з отриманням цих частинок пов’язана з простою фізичною деталлю.

Фундаментальне рівняння теорії відносності Ейштейна E = mc2 показує, що можна перетворити енергію на масу, розігнавши частинки до енергій, набагато більших за їхню масу спокою. Далі можна вдарити ними об мішень і подивитися, що буде.

Проблема в тому, що енергія, доступна для одержання нових частинок за рахунок вдаряння іншими швидко рухомими частинками в нерухомі мішені, надається тим, що називається енергією центру мас. Для тих, кого не злякати ще однією формулою, вона дорівнює кореню квадратному з подвоєного добутку енергії прискореної частинки на енергію маси спокою частинки-мішені. Уявіть, що ми розігнали якусь частинку до енергії, у сто разів більшої за енергію маси спокою протона (що становить приблизно один гігаелектронвольт, ГеВ). Тоді в результаті зіткнення з нерухомими протонами мішені доступна для створення нових частинок енергія центру мас становитиме тільки 14 ГеВ. Це лише трохи більше за енергію центра мас, доступну в найвисокоенергетичнішому прискорювачі елементарних частинок зразка 1972 року.

Щоб досягти енергії, необхідної для породження масивних частинок на кшталт W- чи Z-бозонів, мають зіткнутися два зустрічні пучки частинок. У цьому випадку сумарна енергія центру мас дорівнює просто подвоєній енергії кожного пучка. Якщо кожен із пучків частинок, що беруть участь у зіткненні, має енергію, у сто разів більшу за масу спокою протона, дістаємо 200 ГеВ енергії, яку можна перетворити на масу нових частинок.

Нащо ж тоді будувати прискорювачі з нерухомим мішенями, а не колайдери? Відповідь дуже проста. Якщо я стріляю кулею у ворота сараю, моє влучання куди-небудь більш-менш гарантоване. Але якщо я стріляю кулею в іншу кулю, що летить до мене, то, щоб гарантовано в неї влучити, я маю бути значно вправнішим стрільцем, ніж, мабуть, будь-хто з нині живих, і мати значно кращу зброю, аніж будь-яка наявна.

Саме такий виклик стояв перед експериментаторами 1976 ро­ку, коли вони поставилися до електрослабкої моделі достатньо серйозно, аби вирішити, що її перевірка варта часу, зусиль і грошей.

Проте ніхто не знав, як збудувати пристрій із достатньою кількістю енергії. Прискорення окремих пучків частинок чи античастинок до високих енергій було опрацьоване. Станом на 1976 рік ми вже вміли розганяти протони до 500 ГеВ, а електрони — до 50 ГеВ. На менших енергіях було здійснено успішні зіткнення електронів та їхніх античастинок, і саме так 1974 року було відкрито нову частинку, яка містила чарівні кварк і антикварк.

Протони, які від самого початку мають більшу масу, а отже, і більшу енергію спокою, легше розігнати до високих енергій. Саме 1976 року було здано в експлуатацію протонний прискорювач у Європейській організації з ядерних досліджень (ЦЕРН) у Женеві, протонний суперсинхротрон (SPS) — традиційний прискорювач зі стаціонарною мішенню, здатний працювати з протонним пучком потужністю 400 ГеВ. Проте на момент увімкнення SPS інший прискорювач у Фермілабі, що неподалік від Чикаго, уже досяг рівня потужності протонного пучка в 500 ГеВ. У червні того ж року на конференції, присвяченій нейтрино, фізики Карло Руббіа, Пітер Макінтайр та Девід Клайн виступили із зухвалою ідеєю: якщо перебудувати SPS у ЦЕРН на машину, у якій протони зіштовхуватимуться з їхніми античастинками, антипротонами, ЦЕРН потенційно зможе виробляти W- та Z-частинки.

Їхня зухвала ідея полягала у використанні одного й того ж кругового тунелю для розгону протонів в один бік, а антипротонів — у другий. Оскільки ці дві частинки мають протилежні електричні заряди, той самий розгінний механізм діятиме на кожну з них відповідно. Тож один прискорювач у принципі міг утворити два високоенергетичні пучки, що рухатимуться по колу в протилежних напрямках.

Логічність цієї ідеї була очевидна, а от її реалізація — ні. Перш за все, враховуючи силу слабкої взаємодії, породження навіть кількох W- та Z-частинок вимагало зіткнення сотень мільярдів протонів та антипротонів. Проте досі ще нікому не вдавалося породити та накопичити стільки антипротонів, щоб утворився повноцінний прискорювальний пучок.

Далі можна було б подумати, що, коли два пучки літатимуть одним тунелем у протилежних напрямках, частинки зіштовхуватимуться по всьому тунелю, а не в детекторах, призначених для визначення продуктів зіткнень. Проте насправді все зовсім не так. Поперечний переріз навіть невеликого тунелю настільки велетенський порівняно з діаметром ділянки, у якій можуть зіткнутися протон з антипротоном, що проблема полягає зовсім в іншому. Здавалося неможливим створити достатню кількість антипротонів та забезпечити достатню їхню та протонів щільність у пучках, щоб, коли пучки, напрямлені потужними магнітами, зійдуться, відбулися взагалі хоч які-небудь зіткнення.

Переконати правління ЦЕРН перетворити один із найпотужніших прискорювачів світу, збудований у круговому тунелі завдовжки майже вісім кілометрів на франко-швейцарському кордоні, на новий тип колайдера, було б складно для більшості людей, проте Карлу Руббіа, пишномовній силі природи, це завдання було до снаги. Мало хто з тих, хто ставав у нього на шляху, потім про це не шкодував. Упродовж 18 років він щотижня мотався з ЦЕРН до Гарварду, де працював професором, і назад. Його кабінет містився двома поверхами нижче за мій, проте я знав, коли він на місці, оскільки його було чутно. Мало того, ідея Руббіа була гарною, і, просуваючи її, він насправді пропонував ЦЕРН підвищити SPS від статусу машини-«аутсайдера» до найзахопливішого прискорювача у світі. Шелдон Ґлешоу казав директорам ЦЕРН, заохочуючи їх до руху вперед: «Ви хочете ходити чи літати?»

Проте для польоту потрібні крила, і формування нових методів створення, збереження, прискорення й фокусування пучка антипротонів лягло на плечі блискучого фахівця з фізики прискорювачів із ЦЕРН Симона ван дер Мера. Його метод був настільки кмітливим, що, дізнавшись про нього, багато фізиків були певні, що він порушує якісь фундаментальні принципи термодинаміки. Властивості частинок у пучку мали вимірюватися в одному місці кругового тунелю, після чого магніти далі по тунелю одержували сигнал надати частинкам пучка, що пролітають повз них, багато розтягнутих у часі маленьких поштовхів, таким чином дещо змінюючи енергії та імпульси частинок, що збилися зі шляху, і врешті-решт фокусуючи їх у вузький пучок. Цей метод, що дістав назву стохастичного охолодження, гарантував, що частинки, які відхилилися від центру пучка, будуть спрямовані назад у його середину.

Спільними зусиллями ван дер Мер та Руббіа лупали цю скалу, і до 1981 року колайдер працював, як було задумано, а Руббіа згуртував найбільший спільний фізичний проект з усіх та збудував великий детектор, здатний просіяти мільярди зіткнень протонів і антипротонів у пошуках жменьки вірогідних W- та Z-частинок. Утім, команда Руббіа була не єдиною, хто полював на W та Z. У тому ж ЦЕРН був сформований іще один спільний проект із побудови детектора. Вважали, що надлишкові потужності для настільки важливого спостереження зайвими не будуть.

Відшукати в ході цих експериментів потрібний сигнал на настільки неосяжному фоні було нелегко. Згадаймо, що протони складаються більш ніж з одного кварка, і в процесі одного зіткнення протона з антипротоном може відбутися багато чого. Мало того, W- та Z-частинки мали спостерігати не безпосередньо, а через їхні розпади, у випадку W-частинок — на електрони й нейтрино. Нейтрино також не мали спостерігати безпосередньо. Натомість експериментатори мали скласти докупи сумарні енергії та імпульси всіх вихідних частинок у рамках подій-кандидатів та пошукати великі обсяги «зниклої енергії», що було б ознакою утворення нейтрино.

У грудні 1982 року Руббіа з колегами стали свідками потенційної W-події. Руббіа жадав опублікувати статтю на основі цієї єдиної події, проте його колеги були обережніші й мали на те всі підстави. За Руббіа, здається, тягнувся хвіст відкриттів, які на повірку не завжди виявлялися відкриттями. Тим часом він потайки поділився подробицями цієї події з кількома колегами з різних куточків світу.

Упродовж кількох наступних тижнів його колаборація UA1 зібрала докази ще п’яти потенційних W-подій, і фізики з команди UA1 розробили декілька значно строгіших тестів задля ствердження з високим ступенем упевненості, що ці потенційні події дійсно мали місце. 20 січня 1983 року Руббіа провів у ЦЕРН пам’ятний та майстерно обставлений семінар, на якому оголосив здобуті результати. Його зустріли стоячою овацією, яка засвідчила, що фізичну спільноту він переконав. Кілька днів по тому Руббіа подав до часопису «Physics Letters» статтю, у якій повідомлялося про виявлення шести W-подій. Віднайдена W-частинка мала точно передбачену масу.