В поисках частицы Бога - Иэн Сэмпл

Причины асимметрии в природе имеют не только научный интерес. Понять, почему левые и правые молекулы ведут себя по-разному, очень важно для медицины. В 1960-х годах тысячи женщин, ждущих ребенка, чтобы справиться с утренней тошнотой, принимали на ранних стадиях беременности препарат талидомид. Оценки показали, что непосредственным результатом приема этого препарата явилось рождение более 10 000 детей с серьезными дефектами. У многих из них отсутствовали руки и ноги. Препарат вызывал неправильное развитие глаз и ушей, наносил вред сердцу, почкам, пищеварительной системе, половым органам и нервной системе младенцев. Чтобы возник такой сбой в развитии плода, было достаточно разовой дозы препарата. Препарат изготавливался в виде смеси “левых” и “правых” молекул, но ученые теперь знают, что утреннюю тошноту помогала снимать только одна форма, а другая, вероятно, сдерживала активность генов развивающегося эмбриона и вызывала врожденные пороки. Лекарство безопасно, если оно содержит только одну форму молекул.

Роль нейтральных токов в жизни на Земле заинтриговала Абдуса Салама через много лет после того, как он выдвинул идею объединения электромагнитных и слабых взаимодействий. В 1988 году на лекции, посвященной памяти Поля Дирака, он сказал: “Сегодня в научном сообществе все более и более растет уверенность в том, что электрослабая сила является настоящей “силой жизни” и что Бог создал Z-частицы, дабы обеспечить асимметрию “молекул жизни”.

ЦЕРН отметил свой первый крупный успех — открытие нейтральных токов. Эти мимолетные свидетельства того, что теория электрослабых взаимодействий правильна, убедили всех, что и W- и Z-частицы все-таки существуют. Теперь целью ученых стало обнаружение загадочных частиц, поскольку только это бесспорно доказало бы правильность теории электрослабых взаимодействий.

Но тут на пути физиков встало серьезное препятствие. Оказалось, что W- и Z-частицы очень неустойчивы, время жизни их чрезвычайно мало. То есть требовалось их создать искусственно, и задача сия не обещала быть легкой. В 1970-х годах ни один из готовых или еще строившихся ускорителей не мог развить достаточно энергии, чтобы там родились эти частицы. У физиков было два варианта: либо ждать, пока появятся время и деньги на строительство более крупных и мощных ускорителей нового поколения, либо быстро придумать и сконструировать какой-либо паллиатив.

В первых ускорителях высоких энергий использовались пучки частиц, врезающихся в мишени и разрушающих вещество с помощью грубой силы. Чем меньшие фрагменты вы хотели изучать, тем большие энергии нужно было получить. Чтобы отодрать электроны от атома, требуется относительно мало энергии, потому что электроны в атоме связаны с ядром обычными электрическими силами. Ядра же — крепкие орешки: частицы внутриядерные — протоны и нейтроны — связаны друг с другом сильным взаимодействием (гораздо более сильным, чем электромагнитное).

Следующее поколение ускорителей должно было разгонять пучки до еще более высоких энергий. Большинство частиц, интересовавших физиков, не существует в свободном виде в природе, а потому они должны быть созданы искусственно. Возможность этого ясна из уравнения Эйнштейна Е=mc2. В новых ускорителях частицы создавались непосредственно из выделяемой энергии при бомбардировке мишени пучками высоких энергий. Согласно расчетам теоретиков, для получения Z-частицы необходима полная энергия столкновений не меньше 92 ГэВ, а для получения W-частиц — около 160 ГэВ (энергия каждой равняется 80 ГэВ, а рождаются они парами).

В конце 1960-х годов Герш Ицкович Будкер, одаренный советский физик, основатель и первый директор новосибирского Института ядерной физики СО АН СССР, к тому же обладавший явной предпринимательской жилкой (Будкер и его коллеги поставили работу на коммерческую основу — они продавали создаваемые ими ускорители и их части, в том числе и за границу, а на вырученные деньги проводили свои исследования), выдвинул радикальную идею значительного наращивания энергии ускорителей. Будкер придумал конструкцию ускорителя, в котором вместо того, чтобы нацеливать ускоренные частицы на неподвижные мишени, пучки протонов направляли навстречу пучкам антипротонов — аналогов протонов в мире антиматерии. При таком соударении должна была выделяться огромная энергия.

Идея заставить частицы сталкиваться лоб в лоб была не нова. Несколько команд, работающих на ускорителях, уже проверили возможность реализовать эту идею и доказали ее работоспособность. Преимущество этого способа становится ясным, если представить себе вместо частиц автомобили. Когда одна машина врезается в другую, припаркованную, большое количество энергии идет на то, чтобы проволочь стоящий автомобиль вперед. То же самое происходит и в ускорителях. Когда частицы с высокими энергиями врезаются в неподвижные, много энергии тратится впустую — на то, чтобы частицы мишени затолкнуть внутрь. При лобовом столкновении дела обстоят совсем иначе. Когда две частицы на высоких скоростях сталкиваются лоб в лоб, они останавливаются, и почти вся высвободившаяся энергия может быть использована на образование новых частиц.

Гениальность предложения Будкера состояла в идее использования антивещества. Частицы антивещества имеют точно такую же массу, что и их партнеры, но равный и противоположный по знаку электрический заряд. Это означает, что вы можете запустить протоны и антипротоны в ускоритель и получить пучки, закручивающиеся в противоположных направлениях, при этом даже не потребуются деньги на модификацию установки, поскольку она не нужна. Все, что необходимо сделать, — это столкнуть пучки внутри детектора и сделать снимки осколков, выбрасываемых при таком жестком столкновении.

Однако было одно препятствие, которое угрожало сорвать планы Будкера. С антиматерией трудно иметь дело. Ученые тогда еще не умели создавать из античастиц чистые пучки высокой энергии. Но Г. И. Будкер в Новосибирске и ведущий физик ЦЕРНа Симон ван дер Меер, работая над этой проблемой, нащупали какое-то перспективное решение. Они показали, что, если достаточно интенсивные пучки антипротонов охладить, они будут вести себя достаточно стабильно. Если пучки нормальных протонов создают, ускоряя ядра водорода, вылетающие прямо из газгольдера (потом их легко заставить двигаться в одном направлении), то антипротоны можно получить, только направив пучки протонов на металлическую мишень и собрав случайно вылетающие частицы антивещества. Антипротоны, полученные таким способом, представляют собой ансамбль античастиц с различными энергиями. По идее охлаждение должно было превратить их в тонкие, однородные пучки.

Летом 1976 года в активе Фермилаба имелось пять предложений по преобразованию ускорителя в протон-антипротонный коллайдер. Два из них поступили от членов команды Карло Руббиа. После детального обсуждения наблюдательный комитет отверг все пять на том основании, что еще слишком рано решать вопрос о выборе будущей тематики лаборатории. Вместо этого наблюдательный комитет решил, что нужно провести более глубокие исследования. Воспользовавшись ситуацией, Уилсон запросил 490 тыс. долларов на сооружение небольшой установки для проверки возможности охлаждения пучков антивещества.

Руббиа был разочарован. Причем настолько, что даже покинул США, пересек Атлантический океан и предложил свой проект ЦЕРНу. Европейцы тогда только что запустили новый ускоритель элементарных частиц — суперпротонный синхротрон (SPS), в котором в подземном кольце диаметром около 7 километров частицы разгонялись, после чего врезались в твердые металлические мишени. В ЦЕРНе Руббиа увидел желание рискнуть. Генеральный директор по исследованиям Леон Ван Хов боялся, что Фермилаб опередит их, поскольку американский ускоритель работал на энергиях 500 ГэВ, что на 100 ГэВ превышало энергию церновского ускорителя. И тогда Ван Хов приложил гигантские усилия, чтобы добиться разрешения на превращение ускорителя в протон-антипротонный коллайдер. Ван Хов решил, что так он обретет шанс первым найти W- и Z-частицы. В обращении к сотрудникам он написал, что в противном случае ЦЕРН обречен лишь на “повторение, пусть и на более высоком уровне, экспериментов, уже сделанных или подготовленных к проведению на ускорителе в Фермилабе”109. В физике нужно уметь рисковать, если вы хотите получить “что-то большее, чем просто хлеб с маслом”.