энергия каждого из них, которая может быть использована для рождения новых частиц, составляет лишь малую часть от полной энергии ускоренного протона.
Опыт последних десятилетий свидетельствует о том, что два основных типа ускорителей в некотором смысле дополняют друг друга. Электрон-позитронные – идеальный инструмент для тонких исследований, в которых нужна высокая точность, а протонные ускорители можно назвать ускорителями открытий: подобно тарану, они пробивают стены на энергетических границах, позволяя обнаруживать за ними все новые и новые частицы.
В обоих случаях энергия – это ключевой параметр. Во-первых, потому, что если ускоряемые частицы не добираются до определенного порога, то и нет никакой надежды на прямое получение искомых массивных частиц. Во-вторых, потому что вероятность получения массивных частиц в протонных коллайдерах сильно возрастает с увеличением энергии столкновений: чем она выше, тем больше будет нужных частиц. А чем больше будет частиц, тем яснее обозначатся каналы распада и характерные сигнатуры, которые приведут к регистрации наиболее четких сигналов и, возможно, позволят нам открыть нечто важное для понимания Вселенной.
Высокие энергии подразумевают частицы, которые можно удерживать на круговых траекториях только очень сильными магнитными полями, а для этого требуются дорогостоящие магниты. Предел определяется текущим развитием технологии. Максимальное значение напряженности магнитного поля определяет минимальный радиус кривизны траектории частицы; этим и объясняется возникновение современных гигантских ускорителей.
Наконец, количество частиц, образующихся в ускорителе, зависит также от частоты столкновений, достижимой в данном ускорителе для данного процесса. На техническом жаргоне ее называет светимостью. Сочетание этих двух параметров – энергии и светимости – определяет успех или провал запланированного научного эксперимента.
Чрезмерная скромность в требованиях к характеристикам нового ускорителя позволит сэкономить на затратах при его строительстве, но тогда вся затея теоретически обречена на неудачу. Для рождения нужных частиц может не хватить энергии, или их может оказаться недостаточно для получения четкого сигнала. А кто‑то другой тем временем построит более мощный ускоритель или ускоритель с лучшей светимостью и придет к открытию раньше. В этом случае никто и не вспомнит о сэкономленных средствах, зато все навсегда запомнят огромные инвестиции, вложенные в провальный проект. Но верно и обратное: слишком футуристический проект тоже может ожидать фиаско, потому что ускоритель не удастся запустить или даже просто достроить из‑за лавинообразно растущих расходов.
Именно на такой тонкой грани, фактически на лезвии бритвы, приходится балансировать физику-экспериментатору в области элементарных частиц при разработке своих проектов, а то и в целом при построении карьеры. Физика высоких энергий – это жесткая конкурентная среда, где стремление ученых достичь вершин знаний часто переплетается с амбициями государств, стремящихся сохранить или занять лидирующие позиции в одной из ведущих высокотехнологических отраслей. На таком скользком игровом поле и большой научный успех, и оглушительный провал могут в равной степени зависеть от какого‑нибудь пустяка.
От Уоксахачи до Большого адронного коллайдера
Соединенные Штаты лидировали в физике высоких энергий на протяжении большей части XX века. Так было по крайней мере с 1930 года, когда 29‑летний Эрнест Лоуренс, едва став молодым профессором в Беркли, нашел способ сделать ускорители частиц более компактными и эффективными: он изобрел циклотрон – первый ускоритель, в котором частицы движутся по круговым траекториям. Прочее же стало возможным благодаря огромным инвестициям и успеху Манхэттенского проекта. С тех пор все администрации США неизменно поддерживали чем далее, тем более амбициозные проекты, надеясь, что, раскрыв секреты материи, удастся получить доступ к неизведанным источникам энергии. В течение десятилетий длилась непрерывная череда успехов, закреплявших неоспоримое мировое лидерство американцев. Каждый, кто хотел принять участие в передовых исследованиях в области физики высоких энергий, должен был купить билет в одну из лабораторий США.
Когда Руббиа открыл W– и Z-бозоны, это вызвало в Америке настоящий шок. Ведь тамошние ученые уже давно готовились к тому, что сами добьются этого – очередного! – успеха и в итоге непременно получат Нобелевскую премию. Еще в 1974 году они предложили построить в Брукхейвене, недалеко от Нью-Йорка, новый ускоритель и даже выбрали для него красивую аббревиатуру: он должен был называться “Изабель” (Isabelle, то есть красивая [belle] Isa, от ISA – Intersecting Storage Accelerator).
Новая установка предполагалась как кольцевой протонный ускоритель с энергией 400 ГэВ в центре масс столкновений, более чем достаточной для получения и идентификации столь желанных носителей слабого взаимодействия. Строительство началось в 1978 году, но довольно скоро возникли серьезнейшие проблемы, связанные со слишком рискованным выбором конструкции.
Для “Изабель” физики планировали использовать сверхпроводящие магниты. Сверхпроводимость – это особое физическое свойство, возникающее при определенных условиях у некоторых веществ, когда они перестают оказывать электрическое сопротивление проходящему току. Это позволяет избежать колоссальных потерь, характерных для обычных проводников, когда по ним течет ток огромной силы, что необходимо для создания магнитных полей, достаточных при удержании высокоэнергетических протонов на замкнутых траекториях. Однако сверхпроводимость – дело непростое. Во-первых, потому, что она возникает только при температурах, близких к абсолютному нулю: сверхпроводящие катушки должны постоянно находиться в самой холодной из доступных на Земле сред – в жидком гелии при температуре около –269 °C[20]. Во-вторых, сверхпроводимость пропадает в присутствии интенсивных магнитных полей и сильных токов, то есть именно в тех условиях, которые необходимо создать. Справиться с этими сложностями можно только с помощью весьма специальных технологий и точного их соблюдения.
Поначалу проект “Изабель” казался надежным и хорошо продуманным. Первый сверхпроводящий магнит с нужными для нового ускорителя характеристиками был изготовлен в 1975 году, и всевозможные испытания не выявили никаких проблем. Ускоритель был профинансирован и официально одобрен в качестве инициативы, имеющей стратегическое значение для США. 27 октября 1978 года забитый в землю колышек ознаменовал начало строительства, и все вроде бы пошло хорошо. В январе 1979 года из компании Westinghouse прибыл первый магнит, качество которого эта компания, взявшая на себя промышленное изготовление магнитов, гарантировала, – как и качество всех прочих. Однако первый магнит испытаний не прошел. И второй тоже. После этого началась бесконечная эпопея: физики проекта возлагали вину на инженеров Westinghouse, а те, в свою очередь, винили физиков. Пока длилась эта многолетняя склока, в ЦЕРН открылось окно возможностей, которым удачно воспользовался Карло Руббиа. Когда стало ясно, что игра за “Изабель” проиграна, от проекта окончательно отказались. Это произошло в июле 1983 года, спустя несколько месяцев после сообщения Руббиа об открытии W– и Z-бозонов и после того, как было потрачено 200 миллионов долларов.
Именно шоком 1983 года объясняются последующие шаги американских физиков и американской администрации, приведшие в итоге к нынешней бескомпромиссной глобальной гонке за первенство в
