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

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 специалистов99.

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 водки100. 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”.

Уилсон вырос на семейном ранчо в штате Вайоминг, где разводили крупный рогатый скот, и там стал заправским ковбоем101. Эдвин Гольдвассер, заместитель Уилсона в Манхэттенском проекте, рассказывал, что Уилсон мог “если это было необходимо, ловко набросить лассо на любого из трех своих сыновей, когда они были маленькими”. Когда какой-то механизм ломался, юный Уилсон вместо того, чтобы отправиться за запчастями в долгую поездку на лошади в соседний город, шел в местную кузницу и выковывал деталь сам. Этот опыт во многом определил его характер. “Я уверен, что человек способен своими собственными руками построить самые хитроумные механизмы, а потом заставить их работать”, — говаривал он.

Уилсон стал кандидатом на должность руководителя чикагской лаборатории в 1965 году, когда он разрабатывал конструкции ускорителей в Корнеллском университете. В это время Комиссия по атомной энергетике США попросила ученых представить свои планы по строительству новой установки. Одно предложение из бывшей лаборатории Уилсона в Беркли оказалось на его столе. Уилсон детально изучил это предложение и подверг его резкой критике: ускоритель был спроектирован с избыточным запасом прочности и соответственно завышенной стоимостью в 340 млндолларов. Эта цифра показалась ему неоправданно высокой. Уилсон боялся, что непомерные расходы на ускорители вообще могут погубить физику элементарных частиц. Если речь шла о крупных проектах, Уилсон всегда становился бережливым. Он понимал, что, когда какая-то научная установка создается впервые, ее, как правило, проектируют с завышенным запасом прочности и, следовательно, процесс строительства будет дорогим и слишком долгим.

Два года спустя комиссия, рассмотрев более ста предложений по конструкциям ускорителей, призвала Уилсона и попросила его построить лабораторию так, как он считал нужным. Когда строительные работы начались, Уилсона вызвали на слушания в Объединенный комитет конгресса по атомной энергии, где он должен был ответить на вопросы по проекту. В слушаниях, состоявшихся в 1969 году сенатор Джон Пасторе попросил Уилсона объяснить, как данный объект будет способствовать укреплению национальной безопасности. Уилсон ответил, что цель проекта не имеет ничего общего с безопасностью. Тогда Пасторе строго спросил ученого, а вообще зачем нужен ускоритель, каково его предназначение. На этот вопрос сенатора Уилсон ответил так: “Ускоритель имеет отношение только к уважению, с которым мы относимся друг к другу, к достоинству людей и нашему почитанию культуры. Он имеет отношение к тому, насколько мы хорошие художники, скульпторы, большие ли поэты. Я имею в виду все, что мы действительно ценим в нашей стране и на чем основывается наш патриотизм. Ускоритель не имеет отношения непосредственно к защите нашей страны, но имеет отношение к тому, ради чего ее стоит защищать”102.

Вопрос Пасторе не выглядел странным, учитывая, что дело происходило в разгар холодной войны. Политики надеялись, что ускоритель сможет подсказать, как сделать бомбы еще более разрушительными или защитить страну от внешних агрессоров. Однако предназначение ускорителя было совсем иным — его создавали, чтобы понять, какие физические законы работают в природе. А применения этим знаниям в ближайшие десятилетия могло и не найтись. Строительство все более мощных ускорителей, несомненно, шло на пользу военным, но только косвенно, поскольку способствовало подготовке множества высококвалифицированных физиков и инженеров, специалистов в области сложнейшей электроники.

Под руководством Уилсона сооружение ускорителя в Национальной ускорительной лаборатории было закончено раньше запланированного срока; более того, пучки в нем сумели разогнать до энергий более 500 ГэВ, что более чем в два раза превысило первоначально запланированный уровень, и все это сделали не выходя за рамки бюджета. Откуда возникла экономия, понять легко. Здания были построены кое-как. Туннели, вырытые для ускорителя, текли. Научного оборудования было мало, а некоторые нужные приборы просто отсутствовали. Уилсон не расстраивался. Он просмотрел список экспериментов, которые физики предложили провести на ускорителе. Как и в ЦЕРНе, отобранные эксперименты определили тип необходимых детекторов, которые нужно было монтировать сразу после сооружения самого ускорителя.