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

Если бы W- и Z-частицы или мимолетные нейтральные токи не обнаружились в экспериментах, электрослабую теорию можно было бы выбросить на свалку, и вся идея Хиггса о происхождении массы частиц была бы поставлена под сомнение. Чтобы найти ответы на эти вопросы, физики, специалисты по элементарным частицам обратились к помощи неутомимых рабочих лошадок — ускорителей, установок, разгоняющих потоки частиц до феноменальных скоростей. Несущиеся в них частицы либо обрушиваются на поверхность металла, либо сталкиваются с другими частицами, летящими в другом направлении.

Ускорители начали строить в конце 1920-х годов. Поначалу это были примитивные устройства, собранные из узлов других приборов. В ранних моделях пучки частиц, летевших с большой скоростью, использовались для разрушения атомных ядер. В течение последующих десятилетий ускорители превратились в самые сложные и громоздкие установки на планете, и сегодня при столкновениях частиц, летающих в них с огромной скоростью, выделяется огромная энергия и возникают совершенно новые частицы.

История ускорителей началась в 1900-х годах, когда Эрнест Резерфорд и другие физики стали проводить эксперименты в области атомной физики. Резерфорд уже тогда знал, что радиоактивные материалы испускают потоки быстрых частиц, которые можно использовать для изучения строения атома. Обычно в качестве радиоактивного материала брали радий — он испускает альфа-частицы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов и вылетающие со скоростью, превышающей 20 000 километров в секунду. Именно альфа-частицы и применил Резерфорд в экспериментах, которые привели его в 1911 году к открытию структуры атомного ядра.

Закончив свои уникальные эксперименты в Манчестере, Резерфорд переехал в Кембриджский университет, где стал руководителем престижной Кавендишской лаборатории, а спустя шесть лет — президентом Королевского общества. В то время он уже был одним из самых влиятельных физиков в мире. В 1927 году он обратился с президентской речью к членам Королевского общества, в которой подчеркнул, что для физиков крайне важно иметь в качестве инструмента пучки частиц с более высокими, чем у альфа-частиц, энергиями95. “Это позволило бы проводить исследования в новых необычных и важных областях и использовать их не только для выяснения вопросов, связанных со строением и стабильностью атомных ядер, но и для решения множества других проблем”, — сказал он.

Слова Резерфорда были услышаны. Вскоре в Кавендише ирландский физик Эрнест Уолтон и его коллега, йоркширец Джон Кокрофт, начали собирать установку, на которой планировалось получать пучки частиц, не используя радиоактивные материалы. Установка была еще несовершенна, но она работала! На одном конце Уолтон и Кокрофт установили стеклянную колбу, заполненную водородом. Приложенное к стенкам колбы напряжение выдирало электроны из атомов водорода, оставляя внутри сосуда голые ядра водорода, то есть протоны96. Положительно заряженные протоны ускорялись другим напряжением, приложенным к торцам 8-метровой трубы, состыкованной с колбой. Идея состояла в том, чтобы ускоренные в трубе протоны врезались в объект, поставленный на их пути.

Уолтон и Кокрофт подумали и о технике безопасности. Во время тестирования установки они забрались в сделанное ими небольшое деревянное укрытие в центре лаборатории, обложенное свинцом для экранирования. Устройство Уолтона и Кокрофта стало, как Резерфорд и предполагал, очень полезным инструментом. В 1932 году физики направили поток частиц из этого протоускорителя на литий, самый легкий из металлов. Пучок протонов врезался в мишень и раскалывал атомы лития на две части. Уолтон и Кокрофт получили Нобелевскую премию на двоих в 1951 году за изобретение метода ускорения частиц и расщепление атома.

Расщепление атома было эпохальным достижением, но, чтобы раздробить атомы на еще более мелкие составляющие и изучить их, физикам требовались ускорители помощнее. Обычно ускоритель характеризуют величиной энергии частиц, которую они приобретают в них. (Используемые в этой области единицы энергии называются электронвольтами (эВ), один электронвольт — количеств кинетической энергии, которое электрон получает, когда он ускоряется напряжением 1 вольт.) Электронвольт — не очень большое количество энергии Требуется примерно 600 триллионов электронвольт, чтобы поднять монетку в один фунт стерлингов на миллиметр от земли. Чтобы расщепить атом требуется 100 000 эВ. А чтобы выбить электрон из атома, нужно только 14 эВ. Физики используют для описания энергии пучков обозначения, кратные тысячам электронвольт: кэВ — для тысяч, МэВ — для миллионов, ГэВ — для миллиардов, и ТэВ — для триллионов электронвольт.

Одной из неприятных проблем, преследовавших первых конструкторов ускорителей, было создание сильных электрических полей, необходимых для разгона частиц до более высоких скоростей. В принципе можно разогнать пучки частиц до каких угодно энергий, ускоряя их сильными полями на больших расстояниях. Физики попытались делать так, но эта идея провалилась: они научились получать огромные электрические поля, но через установку побежали искры — возникал пробой.

В то время как Уолтон и Кокрофт упорно трудились над усовершенствованием своего ускорителя на основе стеклянной трубы, американский физик Эрнест Лоуренс из Калифорнийского университета в Беркли придумал новую конструкцию, решившую проблему больших электрических полей97. Он позаимствовал идею из статьи норвежского инженер Рольфа Видроу, опубликованной в немецком техническом журнале. Лоуренс не знал языка и не мог прочитать текст статьи — он уловил смысл прост рассматривая рисунки. Вместо того чтобы ускояться, двигаясь в длинной прямой трубке, частицы раскручивались по спирали, ускоряясь на каждом витке. Соответственно в этой установке оказалось возможным использовать более слабые электрические поля.

Сконструированная Лоуренсом установка стала называться циклотронным ускорителем. Внутри установки размером с небольшую тарелку частицы двигались по кругу и ускорялись на каждом витке переменным электрическим полем. Это было похоже на то, как если бы вы раскручивали карусель все быстрее и быстрее, стоя рядом и каждые несколько секунд с силой подталкивая ее. Частицы, направляемые мощными магнитами, кружили внутри циклотрона и по мере получения импульсов раскручивались по спирали. Прошло не так много времени, и в ускорителе Лоуренса частицы уже разгонялись до энергий около 5 МэВ, в то время как Уолтон и Кокрофт смогли получить лишь 800 кэВ. Установка Лоуренса, которую сам он называл “протонной каруселью”, была не только более мощной, но и довольно компактной — она умещалась на его лабораторном столе.

Лоуренс построил целую серию циклотронов, причем каждый последующий был крупнее и мощнее предыдущего. Первый имел всего 5 дюймов в поперечнике, но к 1939 году циклотроны стали гораздо более громоздкими, к примеру, в это время был построен циклотрон-рекордсмен диаметром 5 футов. Лоуренс использовал свои циклотроны для бомбардировки протонами различных элементов, в результате чего возникали их радиоактивные изотопы. Именно эти его работы привели к применению радиоактивных веществ в медицине. Брат Лоуренса врач Джон Лоуренс с помощью радиоактивного фосфора лечил лейкемию. А вскоре его коллеги придумали, как использовать пучки нейтронов, полученные в циклотроне, для уничтожения раковых клеток в организме. В 1939 году Лоуренс получил Нобелевскую премию за создание циклотрона и открытия, сделанные с его помощью, в том числе за синтез технеция — первого искусственного элемента, элемента, не существующего в природе.

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 ускорителей98.

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.