Ученые смогли определить, из чего состоит вещество, только после того, как появились инструменты, позволившие заглянуть в его глубины. Слово «заглянуть» здесь означает не прямые наблюдения, а методики непрямых исследований, которые используются для зондирования крохотных расстояний, недоступных невооруженному глазу.

Сделать это без труда удается редко. Тем не менее, несмотря на проблемы и интуитивно непонятные результаты, иногда получаемые в ходе экспериментов, окружающая действительность реальна. Законы природы, даже те, что действуют на крохотных расстояниях, порождают измеримые следствия, до которых рано или поздно добираются самые изобретательные исследователи. Наши сегодняшние знания о веществе и его взаимодействиях — это квинтэссенция многих лет наблюдений, озарений, инноваций и теоретических разработок, позволяющих нам непротиворечиво объяснить огромное разнообразие экспериментальных результатов. При помощи непрямых наблюдений, начало которым положил несколько веков назад Галилей, физики выяснили, что скрывает вещество в своих глубинах.

Теперь мы поговорим о современном состоянии физики элементарных частиц, о теоретических прорывах и экспериментальных открытиях, которые привели нашу науку к ее нынешнему состоянию. Конечно, рассказ об этом будет похож скорее на сухой список: мне придется перечислить ингредиенты, входящие в состав вещества, и рассказать, как каждый из них был открыт. Список станет куда интереснее, если не забывать о том, что эти разнообразные ингредиенты на разных масштабах ведут себя очень по–разному. Кресло, в котором вы сидите, в итоге можно разложить на эти элементы, но, для того чтобы разобраться в его подлинной структуре, понадобилась длинная цепочка открытий.

Ричард Фейнман в свое время пошутил, говоря об одной из своих теорий: «Если она вам не нравится, отправляйтесь куда-нибудь в другое место — может быть, в другую Вселенную, где правила проще…» Возможно, некоторые утверждения или предположения, которые кажутся нам истинными, слишком громоздки и невнятны. Но человеческое нежелание их принимать, не изменит того факта, что природа устроена именно так — сложно и запутанно.

Маленькие расстояния кажутся нам непривычными. Мы не можем узнать, что происходит на самых маленьких расстояниях, без специальных крохотных инструментов. Страница (или экран), которую вы сейчас читаете, выглядит совершенно не так, как элементы, из которых состоит ее вещество. Все дело в том, что человеческое зрение по природе своей основано на наблюдении видимого света. Этот свет излучают электроны, находящиеся на орбитах вокруг центров атомов. Как показано на рис. 14, длина волны видимого света не настолько мала, чтобы позволить нам заглянуть внутрь ядра.

Нам нужно быть умнее — или смелее — и определить, что происходит в атоме на крохотных расстояниях, сравнимых с размером ядра. Для этого необходимо излучение с гораздо меньшей длиной волны, чем у видимого света. Поверить в это, пожалуй, нетрудно. Представьте себе воображаемую волну, длина которой равна размеру Вселенной. С чем бы эта волна ни взаимодействовала, информации от этого взаимодействия не хватит, чтобы обнаружить в пространстве хоть что-нибудь. Если в этой волне не будет более коротких колебаний, у нас не будет возможности определить — одной только гигантской волной никак не обойтись, —что какой-то определенный объект находится в каком-то определенном месте. Это как если накрыть кучу вещей мелкой сетью и спросить, где в этой куче находится ваш бумажник. Вы не сможете его отыскать без инструмента с достаточным разрешением, который позволил бы заглянуть внутрь кучи и различить там более мелкие вещи.

Если имеешь дело с волнами, нужно, чтобы их гребни и впадины располагались на правильном расстоянии, примерно соответствующем размеру объекта, который ученые пытаются рассмотреть. Волна в этом смысле подобна сети, размер ячейки которой соответствует длине волны. Если известно только, что в сети что-то есть, это «что-то» гарантированно находится в пределах области, по размерам соответствующей размерам сети. Чтобы узнать о положении объекта точнее, потребуется либо сеть с меньшими ячейками, либо другой способ поиска неоднородностей в более мелком масштабе.

Квантовая механика говорит нам, что по характеристикам волны можно судить о вероятности обнаружения частицы в конкретной точке пространства. Волны, о которых идет речь, могут быть обычными световыми волнами, а могут оказаться теми, которые несет в себе каждая отдельная частица. Длина такой волны говорит нам о том, на какое минимальное разрешение мы можем рассчитывать, если будем зондировать малые расстояния с помощью частицы или излучения.

Квантовая механика также утверждает, что короткие волны требуют высоких энергий. Дело в том, что с энергией связана частота, и волны самой высокой частоты — с самой короткой, соответственно, длиной — несут в себе максимальную энергию. Таким образом, квантовая механика связывает высокие энергии и малые расстояния и подсказывает нам, что только эксперименты, оперирующие высокими энергиями, могут помочь ученым проникнуть в тайны внутреннего устройства вещества. Именно по этой принципиальной причине для зондирования самой сердцевины вещества и его фундаментального строения нам необходимы устройства, способные разгонять частицы до высоких энергий.

О том, что высокие энергии позволяют исследовать крохотные расстояния и взаимодействия на этих расстояниях, говорят и квантово–механические волновые соотношения. Чем меньшие расстояния мы хотим рассмотреть, тем более высокие энергии — и, следовательно, более короткие волны — нам потребуются. Квантово–механический принцип неопределенности, утверждающий, что малые расстояния связаны с большими импульсами, получает дополнение в лице специальной теории относительности, которая устанавливает связь между энергией, массой и импульсом и делает эту связь более отчетливой.

Ко всему прочему, Эйнштейн научил нас, что энергия и масса взаимозаменяемы и могут превращаться друг в друга. Так, при столкновении частиц их масса может обернуться энергией, поэтому чем выше энергия, тем более тяжелые материальные частицы могут быть получены, так как Е = mc². Это уравнение означает, что высокая энергия — Е — делает возможным создание более тяжелых частиц с большей массой — m. И эта энергия носит всеобщий характер, из нее может возникнуть частица любого типа, если только она кинематически возможна (иначе говоря, достаточно легка).

Таким образом, высокие энергии, исследованием которых мы занимаемся в настоящее время, — это мостик к меньшим расстояниям и размерам, а возникающие в ходе эксперимента частицы — ключ к пониманию фундаментальных законов природы, действующих на этих расстояниях. Любые новые частицы и взаимодействия, проявляющиеся на малых расстояниях, могут стать ключом к пониманию основы так называемой Стандартной модели элементарных частиц — наших нынешних представлений о самых базовых, самых фундаментальных структурных элементах вещества и их взаимодействиях. Теперь давайте рассмотрим некоторые ключевые открытия, связанные со Стандартной моделью, и методы, которые используют сегодня ученые, чтобы еще немного продвинуться в этом направлении.

Все объекты в атоме — электроны, обращающиеся вокруг ядра, и кварки, удерживаемые глюонами внутри протонов и нейтронов — были экспериментально обнаружены учеными при помощи Миниатюрных «зондов» с высокими энергиями. Мы уже видели, что электроны в атоме привязаны к ядру силой притяжения противоположных электрических зарядов. Благодаря этой силе энергия системы в целом — атома — оказывается ниже, чем суммарная энергия отдельных его элементов. Поэтому, для того чтобы выделить и исследовать электроны, кто-то должен передать атому достаточно энергии, чтобы его ионизировать — иначе говоря, освободить электроны, оторвав их от ядра. Отдельный электрон для физиков гораздо удобнее: его свойства, такие как заряд и масса, можно исследовать.

Открытие ядра — другой составной части атома — было еще более удивительным событием. Эрнест Резерфорд и его студенты обнаружили ядро в ходе опытов, аналогичных сегодняшним экспериментам с элементарными частицами. Они обстреливали ядрами гелия (которые тогда называли альфа–частицами, потому что о существовании у атомов ядер еще ничего не было известно) тонкую золотую фольгу. Энергия альфа–частиц оказалась достаточной, чтобы Резерфорд смог выявить некие структуры внутри ядра. Он обнаружил, что альфа–частицы, которыми они обстреливали фольгу, иногда отклонялись на значительно больший угол, чем рассчитывали ученые (рис. 20). Они ожидали, что частицы будут равномерно рассеиваться, а вместо этого обнаружили, что некоторые из них отлетают от фольги, будто рикошетят от заключенных внутри тяжелых шариков. Сам Резерфорд описывал это так:

РИС. 20. В эксперименте Резерфорда альфа–частицы (которые, как нам сегодня известно, представляют собой ядра гелия) рассеиваются на золотой фольге. Неожиданно большой угол отражения некоторых альфа–частиц продемонстрировал существование в центре атома концентрированной массы — атомного ядра

«Это было самое невероятное событие из всех, с какими я сталкивался в жизни. Это было почти столь же невероятно, как если бы вы стреляли 15–дюймовым снарядом по листу папиросной бумаги, а снаряд отскочил бы и попал рикошетом в вас самих. После, как следует поразмыслив, я пришел к выводу, что такое отражение должно быть результатом одного–единственного столкновения; я провел расчеты и убедился, что невозможно получить реакцию такой силы, если не взять систему, в которой большая часть массы атома сконцентрирована в крохотном ядре. Именно тогда у меня появилась мысль об атоме с маленьким массивным центром, несущим электрический заряд».

При экспериментальном обнаружении кварков внутри протонов и нейтронов также использовались методы, во многом аналогичные методам Резерфорда, но энергии для этого потребовались намного большие, чем были у его альфа–частиц. Требовался ускоритель частиц. Он должен был придавать электронам — и излучаемым ими фотонам — достаточно высокие энергии.

Первый кольцевой ускоритель элементарных частиц получил название циклотрон, поскольку частицы в нем, ускоряясь, двигались по окружности. Первый циклотрон построил в 1932 г. Эрнест Лоуренс в Университете Калифорнии. Это был очень маленький (около 30 см в диаметре) и слабый по современным стандартам циклотрон. Энергии, которые он позволял получать, даже близко не подходили к уровню, необходимому для обнаружения кварков. Это знаменательное открытие стало возможным лишь после многочисленных усовершенствований конструкции ускорителей; в ходе которых, кстати говоря, было сделано несколько важных открытий.

Задолго до того, как появилась возможность исследовать кварки и внутреннюю структуру атомного ядра, в 1959 г., Эмилио Сегре и Оуэн Чемберлен получили Нобелевскую премию за открытие антипротона (в 1955 г. на бэватроне Лаборатории имени Лоуренса в Беркли). Бэватрон — ускоритель более сложный, чем циклотрон — уже мог доводить энергию протонов до уровня, соответствующего шестикратной массе покоя; этого более чем достаточно для создания пар «протон — антипротон». Протонным пучком на бэватроне бомбардировали различные мишени и (согласно все той же волшебной формуле Е = mc²) получили невиданные прежде разновидности вещества, в том числе антипротоны и антинейтроны.

Вообще, антивещество играет в физике элементарных частиц очень существенную роль, поэтому давайте отвлечемся ненадолго и поговорим об этом замечательном явлении — своеобразном двойнике того вещества, которое мы наблюдаем вокруг. Поскольку заряд любой частицы и соответствующей ей античастицы в сумме дает нуль, вещество при встрече с антивеществом может аннигилировать, то есть взаимно уничтожаться. К примеру, антипротон — одна из форм антивещества — может сливаться с протоном с образованием чистой энергии согласно формуле Эйнштейна Е = mc².

Британский физик Поль Дирак «открыл» антивещество математически в 1927 г. при попытке отыскать уравнение, которое описывало бы электрон. Единственное уравнение, соответствующее всем известным принципам симметрии, которое ему удалось записать, подразумевало существование частицы с той же массой, что у электрона, но с противоположным зарядом, — частицы, которой до того момента никто никогда не видел.

Дирак в конце концов капитулировал перед уравнением и признал, что эта загадочная частица должна существовать. Американский физик Карл Андерсон открыл позитрон в 1932 г., подтвердив тем самым утверждение Дирака, который сказал как-то, что «уравнение оказалось умнее меня». Антипротоны — частицы гораздо более тяжелые — были открыты на 20 с лишним лет позже.

Открытие антипротона было важно еще и потому (помимо доказательства существования самой частицы), что наглядно продемонстрировало симметрию вещества и антивещества в природе, которая играет в физическом устройстве нашей Вселенной принципиальную роль. Однако мир наш состоит из вещества, а не из антивещества, и большая часть массы обычного вещества заключена в протонах и нейтронах, а не в соответствующих им античастицах. Для существования нашего человеческого мира — такого, каким мы его знаем, — в количестве вещества и антивещества необходима асимметрия, однако пока нам неизвестно, каким образом она возникла.

С 1967 по 1973 г. Джером Фридман, Генри Кендалл и Ричард Тейлор провели серию экспериментов, которые помогли установить существование кварков внутри протонов и нейтронов. Эксперименты проводились на линейном ускорителе, который, в отличие от прежних бэватронов и циклотронов, ускорял электроны на прямой траектории. Лаборатория в Пало–Альто получила название Стэнфордский линейный ускоритель, или сокращенно SLAC. Электроны, разогнанные на SLAC, начинали излучать фотоны. Эти энергичные — а значит, коротковолновые — фотоны взаимодействовали с кварками внутри атомных ядер. Фридман, Кендалл и Тейлор измерили, как меняется частота взаимодействий с ростом энергии столкновения. Если бы у частиц в атомном ядре не было внутренней структуры, эта частота падала бы. При наличии структуры частота тоже падала, но значительно медленнее. Как и в опыте Резерфорда, приведшем много лет назад к открытию атомного ядра, налетающие частицы (в данном случае фотоны) рассеивались иначе, чем это происходило бы, если бы протон представлял собой просто шарик без внутренней структуры.

Тем не менее даже в экспериментах, проводившихся на необходимом энергетическом уровне, распознать и классифицировать кварки оказалось непросто. Для этого и технологии, и теория должны были достичь такой стадии развития, на которой экспериментальные движения частиц можно было предсказать и понять. Глубокие эксперименты и теоретический анализ, проведенный физиками–теоретиками Джеймсом Бьеркеном и Ричардом Фейнманом, показали, что частота взаимодействий хорошо согласуется с предположением о существовании внутри атомного ядра некой структуры; таким образом было доказано наличие внутренних элементов протонов и нейтронов, то есть кварков. В 1990 г. за это открытие Фридман, Кендалл и Тейлор были удостоены Нобелевской премии.

Никто не мог надеяться на то, что кварки и их свойства можно будет увидеть собственными глазами. В этой области реально применимы только непрямые методы исследований. Тем не менее измерения подтвердили существование кварков. То, что предсказания и измеряемые характеристики хорошо согласуются между собой, а также вполне наглядная гипотеза о кварках говорили в пользу их существования.

Со временем физикам и инженерам удалось создать новые, усовершенствованные типы ускорителей, способные разгонять частицы до все более высоких энергий. Чем совершеннее становились ускорители, тем более высокоэнергетические частицы можно было использовать для зондирования структуры вещества — и, соответственно, тем меньшие расстояния исследовать. Открытия, сделанные в этот период, помогли разработать Стандартную модель — ее элементы обнаруживались один за другим.

Эксперименты, аналогичные тем, благодаря которым были открыты кварки, где пучок ускоренных электронов направляется на закрепленный образец вещества, называются экспериментами с неподвижной мишенью. В них один пучок ускоренных электронов направляется на вещество, которое играет роль своеобразной неподвижной мишени.

В современных ускорителях, работающих со сверхвысокими энергиями, все иначе. В них происходят столкновения двух потоков частиц, причем оба потока предварительно разгоняются до высоких энергий (рис. 21). Несложно догадаться, что пучки при этом должны быть точно сфокусированы и направлены в одну и ту же крошечную область — только так можно обеспечить какие бы то ни было столкновения. Это значительно уменьшает число получаемых столкновений, поскольку вероятность того, что частица в пучке взаимодействует с чем-нибудь во фрагменте вещества, намного больше вероятности ее взаимодействия с частицей во встречном пучке.

РИС. 21. В одних ускорителях элементарных частиц пучок частиц взаимодействует с неподвижной мишенью. В других — два пучка частиц сталкиваются друг с другом

Однако столкновение двух пучков имеет одно серьезное преимущество. При таких столкновениях можно получить гораздо более высокие энергии. Уже Эйнштейн мог бы объяснить, почему современные ученые однозначно предпочитают коллайдеры экспериментам с неподвижной мишенью. Это связано с понятием «инвариантная масса системы». Хотя сегодня даже ребенок знает, что Эйнштейн создал теорию относительности, сам ученый считал, что более подходящим названием для нее было бы теория инвариантов. Подлинной целью его исследований было найти способ, при помощи которого можно было бы уйти от влияния конкретной системы отсчета, то есть найти инвариантные величины, характеризующие систему.

Вероятно, вы больше знакомы с этой идеей на примере пространственных характеристик, таких как линейный размер. Линейный размер неподвижного объекта не зависит от того, как именно он ориентирован в пространстве. Объект имеет фиксированный размер, который никак не связан с вашими наблюдениями, в отличие от его координат, которые зависят от произвольного набора осей и направлений, которые вы выбираете.

Эйнштейн показал, как описать явление, чтобы его характеристики не зависели от ориентации или собственного движения наблюдателя. Инвариантная масса — это мера полной энергии системы. Она говорит о том, объект какой массы может быть в принципе создан из энергии, содержащейся в вашей системе.

Чтобы определить показатель инвариантной массы, можно задать следующий вопрос: если бы ваша система была неподвижна, то есть если бы у нее не было ни скорости, ни импульса, сколько бы энергии она в себе содержала? Если система не имеет импульса, к ней применима формула Эйнштейна Е = mc². Следовательно, если известна энергия системы в покое, известна и ее инвариантная масса. Если система находится не в покое, следует использовать более сложный вариант той же формулы, где помимо энергии фигурирует и величина импульса.

Предположим, мы сталкиваем между собой два пучка элементарных частиц с одинаковой энергией и равными по величине импульсами, направленными в противоположные стороны. При столкновении импульсы пучков складываются и в сумме дают нуль. Это означает, что система в целом находится в покое. Таким образом, вся энергия ·— сумма энергии частиц в двух отдельных пучках — может быть превращена в массу.

Эксперимент с неподвижной мишенью проходит совсем иначе. Пучок элементарных частиц в нем обладает большим импульсом, а мишень импульса не имеет. Для образования новых частиц доступна не вся энергия частицы, потому что система в целом продолжает двигаться. Из-за этого движения не вся энергия столкновения может быть пущена на создание новых частиц — ведь некоторая ее часть останется в виде связанной с ними кинетической энергии. Оказывается, доступная энергия системы растет пропорционально всего лишь квадратному корню суммарной энергии частиц в пучке и в мишени. Это означает, к примеру, что если бы мы увеличили энергию протонного пучка в 100 раз и столкнули бы такой протон с другим — неподвижным — протоном, то энергия, пригодная для создания новых частиц, увеличилась бы всего в 10 раз.

Значит между столкновением во встречных пучках и столкновением с неподвижной мишенью есть большая разница. Энергия столкновения пучков намного выше — и она отнюдь не вдвое превосходит энергию столкновения пучка с неподвижной мишенью, как вы, вероятно, могли бы подумать. Такая догадка была бы основана на классическом подходе, который не годится для релятивистских частиц в пучке, летящем со скоростью, близкой к скорости света. Разница суммарной энергии между столкновениями пучок — мишень и пучок — пучок намного больше, поскольку на таких скоростях действует теория относительности. Так что если нам нужны по–настоящему высокие энергии, то выбора у нас не остается: придется обращаться к ускорителю–коллайдеру. В нем два пучка элементарных частиц будут разогнаны до высоких энергий, а затем направлены навстречу друг другу.

БАК — типичный пример ускорителя–коллайдера. В нем сталкиваются два пучка элементарных частиц, которые при помощи магнитов направляют навстречу друг другу. Основными параметрами, определяющими возможности любого коллайдера, являются тип частиц, с которыми он работает, их энергия после разгона и светимость установки (суммарная интенсивность пучков и, следовательно, число происходящих в ускорителе событий).

Итак, столкновение двух пучков позволяет получить более высокие энергии (а значит, исследовать меньшие расстояния), чем эксперименты с неподвижной мишенью, поэтому мы выбираем коллайдер. Возникает следующий вопрос: что сталкивать? Этот вопрос порождает несколько интересных вариантов, из которых нам предстоит выбрать один. В частности, мы должны решить, какие элементарные частицы следует ускорять, чтобы они могли принять участие в столкновении.

Имеет смысл воспользоваться готовым материалом, легко доступным на Земле. В принципе, мы могли бы сталкивать между собой нестабильные частицы: к примеру, частицы, получившие название мюонов (они быстро распадаются на электроны), или тяжелые кварки, такие как t–кварки (они распадаются на другие, более легкие виды частиц).

В этом случае нам, прежде чем начать разгон пучков, необходимо было бы получить нужные частицы в лаборатории, поскольку под рукой их нет. Но, даже если бы мы смогли изготовить нужное количество частиц и разогнать их, прежде чем они распадутся, нам бы пришлось еще позаботиться о безопасности и подумать, как отвести излучение. Ни одно из этих препятствий не является непреодолимым — и особенно это относится к мюонам, возможность использовать которые в пучках в настоящее время исследуется. Ясно, однако, что по сравнению со стабильными частицами нестабильные ставят перед исследователями дополнительные проблемы.

Так что давайте остановимся на более понятном и простом варианте: возьмем стабильные частицы, которые имеются на Земле в любом необходимом количестве и сами по себе не распадаются. В эту категорию попадают легкие частицы или на крайний случай связанные стабильные конфигурации легких частиц, такие как протоны. Кроме того, мы предпочли бы заряженные частицы, которые можно без труда разгонять электрическим полем. Это оставляет нам на выбор протоны и электроны—частицы, которых вокруг полным–полно.

Что же выбрать? У той и другой частицы есть свои сильные и слабые стороны. Электроны хороши тем, что столкновения у них получаются чистые и понятные — в конце концов, это фундаментальные частицы. Когда электрон с чем-то сталкивается, его энергия не распыляется на входящие в его состав субструктуры: насколько нам известно на настоящий момент, электрон дальше уже не делится. А раз сам по себе он не делится, мы можем очень точно проследить за тем, что происходит при его столкновении с иным объектом.

А вот с протонами дело обстоит иначе. Напомню, что протон состоит из трех кварков, связанных сильным взаимодействием; кварки обмениваются глюонами, которые «склеивают» протон воедино, как уже говорилось в главе 5. Когда протон с высокой энергией сталкивается с чем-то, в интересующем нас взаимодействии — том, при котором могут возникнуть тяжелые частицы — обычно участвует только одна из частиц в составе протона, то есть один из кварков или глюонов.

Разумеется, кварку достается далеко не вся энергия протона. Сам протон может обладать очень высокой энергией, но составляющим его кваркам энергии достается гораздо меньше. Тем не менее энергия кварка тоже может быть достаточно высока.

Помимо всего прочего, картина столкновения с участием протонов всегда очень сложная. Дело в том, что остальные части протона хоть и не участвуют в сверхвысокоэнергетическом столкновении, но продолжают лететь рядом и тоже взаимодействуют между собой — а это означает, что вокруг интересующего нас взаимодействия происходит множество других, мешающих увидеть картину.

Казалось бы, при описанных условиях никому не захочется иметь дело с протоном, но на самом деле желающие находятся. Почему? Дело в том, что протон тяжелее электрона; его масса превосходит массу электрона примерно в 2000 раз — а это очень важно, когда пытаешься разогнать протон до высокой энергии. Чтобы передать протону энергию, электрическое поле разгоняет частицу по кругу, и с каждым витком она движется все быстрее. Но движущиеся с ускорением частицы излучают, и чем они легче, тем больше излучение.

Это означает, что как бы нам ни хотелось столкнуть между собой электроны со сверхвысокой энергией, вряд ли это удастся сделать в ближайшее время. Вообще-то, электрон можно разогнать до очень высоких энергий, но такие электроны, разгоняясь по кругу, излучают значительную часть своей энергии в пространство. (Именно поэтому в Лаборатории SLAC в Пало–Альто, где ускоряют электроны, используется линейный коллайдер.) Так что протоны все же побеждают в соревновании с точки зрения как чистой энергии, так и исследовательских возможностей. Протоны можно разогнать до достаточно высоких энергий, чтобы их составные части — кварки и глюоны — несли больше энергии, чем ускоренный электрон.

Надо сказать, что оба типа коллайдеров — и протонные, и электронные, — многое рассказали физикам об элементарных частицах. Коллайдеры, оперирующие пучком электронов, не работают с такими высокими энергиями, какие достигаются в лучших протонных ускорителях. Но эксперименты на коллайдерах с электронными пучками позволяют провести более точные измерения; на протонных коллайдерах о такой точности не приходится даже мечтать. В частности, проведенные в 1990–е гг. эксперименты на SLAC и на Большом электронно–позитронном коллайдере LEP в Европейском центре ядерных исследований помогли проверить предсказания Стандартной модели элементарных частиц с впечатляющей точностью.

Эксперименты, связанные с точным измерением электрослабых взаимодействий, помогли исследовать множество самых разных процессов. К примеру, были измерены массы переносчиков слабого взаимодействия, скорости распада на разные типы частиц, а также явления асимметрии в сигналах регистрируемых передней и задней (по отношению к движению частиц) частями детектора.

Точное измерение электрослабых взаимодействий стало возможным в результате разумного применения эффективной теории. Как только физики смогли провести достаточное количество экспериментов, чтобы точно определить некоторые параметры Стандартной модели (к примеру, силы, задействованные в каждом из фундаментальных взаимодействий), оказалось, что все остальное можно предсказать. Ученые проверяют все экспериментальные данные на непротиворечивость и ищут отклонения, которые могли бы указать на какое-то недостающее звено. До сих пор все известные наблюдения и измерения указывают на то, что Стандартная модель прекрасно работает — настолько хорошо, что мы до сих пор не имеем никаких зацепок, по которым можно было бы судить, что нас ожидает на следующем уровне. Пока ясно одно: что бы это ни было, его влияние при достигнутых на LEP энергиях чрезвычайно слабо.

Из этого можно сделать вывод о том, что получить больше информации о еще более тяжелых частицах и еще более энергичных взаимодействиях невозможно без прямого исследования процессов, протекающих при энергиях, значительно более высоких, чем все, что удалось достичь на LEP и SLAC. В столкновениях электронов попросту не будут получены энергии, нужные, по мнению ученых, для ответа на вопрос о том, что придает частицам массу и почему они обладают именно такой массой, какой обладают, по крайней мере этого не удастся сделать в ближайшем будущем. Для ответа на эти вопросы нужны столкновения протонов.

Вот почему физики решили разгонять в тоннеле, построенном в 1980–е гг. для LEP, протоны, а не электроны. В конце концов Центр вывел LEP из эксплуатации, чтобы дать дорогу новому колоссальному проекту—Большому адронному коллайдеру. Поскольку протоны излучают во много раз меньше энергии, чем электроны, сам процесс разгона проходит гораздо более эффективно, и протоны удается разогнать до более высоких энергий. При столкновениях протонов, конечно, возникает больше мусора, чем при столкновениях электронов, и перед экспериментаторами встает множество сложнейших проблем, но при работе с пучком протонов появляется шанс задействовать в одном столкновении достаточно высокие энергии и получить прямой ответ на вопрос, который не дает нам покоя уже несколько десятилетий.

Но, прежде чем окончательно решить, какие именно частицы сталкивать в коллайдере, мы должны ответить еще на один вопрос. Итак, в столкновении участвует два пучка. Мы уже решили, что один из пучков должен состоять из протонов. Но из чего должен состоять второй пучок — из тех же частиц (протонов) или из соответствующих античастиц (антипротонов)? Масса протона и антипротона одинакова, поэтому и излучают они при разгоне одинаково, поэтому при выборе между тем и другим следует использовать иные критерии.

Ясно, что протонов в окружающем нас мире гораздо больше, чем антипротонов. Антипротон практически невозможно встретить просто так, случайно, ведь если бы он появился, то тут же аннигилировал бы с одним из многочисленных протонов, превратившись в энергию или другие, более элементарные частицы. Почему же тогда вопрос об использовании антипротонов вообще рассматривается? Какую выгоду мы от них получим?

Ответить на этот вопрос можно просто: немалую. Во–первых, разгонять пучки будет проще, поскольку одно и то же магнитное поле можно использовать для разгона протонов и антипротонов в противоположных направлениях. Но главный аргумент — частицы, которые можно получить при столкновении.

Частицы и античастицы обладают одинаковой массой, но противоположным зарядом. Это означает, что суммарный заряд сталкивающихся частиц вполне соответствует заряду, который может нести чистая энергия, — а именно нулевому заряду. Согласно формуле Е = mc² это означает, что при столкновении частица и античастица могут целиком превратиться в энергию, которая, в свою очередь, может породить любую другую пару частица — античастица; для этого нужно лишь, чтобы новая пара не была слишком тяжелой и обладала достаточно сильным взаимодействием с первоначальной парой.

Возникшие частицы могут оказаться совершенно новыми и обладать зарядом, отличным от заряда частиц Стандартной модели. У новой пары нет суммарного заряда, как и у первоначальной пары. Поэтому даже если заряды новых частиц будут отличаться от зарядов Стандартной модели, вместе они будут иметь нулевой заряд и — по крайней мере в принципе — смогут возникнуть.

Попробуем рассмотреть с этой точки зрения электроны. При столкновении двух частиц с одинаковыми зарядами, к примеру двух электронов, можно получить только объекты с тем же суммарным зарядом. Могут родиться либо один объект с двойным зарядом, либо два разных объекта, которые, подобно электронам, будут нести на себе единичный заряд. Это несколько ограничивает наши возможности.

Итак, столкновение двух частиц с одинаковым зарядом сильно ограничивает экспериментаторов. С другой стороны, столкновение частицы и античастицы открывает множество новых путей, в противном случае невозможных. При электронно–позитронном столкновении (а именно так работал LEP) возникает гораздо больше потенциальных возможностей, чем при столкновении двух электронов, — ведь и число возможных конечных состояний гораздо больше. К примеру, именно в столкновениях электронов с соответствующими античастицами — позитронами — были наряду с множеством достаточно легких пар частица — античастица получены и тяжелые незаряженные частицы, такие как калибровочный Ζ–бозон. Хотя за использование античастиц в столкновениях приходится дорого платить — слишком уж сложно их хранить, — выигрыш тоже достаточно велик, особенно в тех случаях, когда новые частицы, которые мы надеемся обнаружить, обладают не такими зарядами, как исходные.

В последнее время в самых высокоэнергетических коллайдерах ученые использовали один пучок протонов и один пучок антипротонов. Для этого потребовался, конечно, надежный способ получения и хранения антипротонов. Вообще, способ эффективного хранения антипротонов — одно из серьезнейших достижений CERN. Еще до того, как там был создан электронно–позитронный коллайдер LEP, европейская лаборатория работала с высокоэнергетическими пучками протонов и антипротонов.

Самым важным открытием, сделанным в Центре при столкновениях протонов и антипротонов, был электрослабый калибровочный бозон, передающий электрослабое взаимодействие. За это открытие в 1984 г. Карло Руббиа и Симон ван дер Мер получили Нобелевскую премию. Слабое взаимодействие, как и другие виды взаимодействия, передается частицами. В данном случае это слабые калибровочные бозоны — положительно и отрицательно заряженные W–бозоны и нейтральные Ζ–бозоны; именно эти три частицы отвечают за слабое взаимодействие. Для меня W- и Ζ–бозоны до сих пор остаются «чертовыми векторными бозонами»; так, помнится, называл их подвыпивший британский физик, который бродил по комнатам, где жили в то время приглашенные физики и студенты–практиканты (в том числе и я). Его очень беспокоило доминирование Америки, и он с нетерпением ждал первого крупного открытия европейских ученых в этой области науки. Калибровочные, или векторные, бозоны W и Ζ, открытые в начале 1980–х гг. в CERN, экспериментально подтвердили Стандартную модель элементарных частиц, в которой слабое взаимодействие играет принципиальную роль.

Решающую роль в успехе тех экспериментов сыграл новый метод хранения антипротонов, разработанный ван дер Мером. Ясно, что хранение антипротонов — сложная задача, ведь каждая из этих частиц только и ждет встречи с каким-нибудь случайным протоном, с которым можно будет аннигилировать. Метод ван дер Мера, получивший название метода стохастического охлаждения, заключается в том, что специальный датчик отслеживает электрические характеристики сгустка частиц, а корректирующее устройство — так называемый кикер — «дает пинка» тем частицам, которые обладают максимальным импульсом, охлаждая таким образом весь сгусток; частицы в нем начинают двигаться медленнее и уже не могут легко столкнуться со стенками контейнера. Таким способом можно хранить даже антипротоны.

Идея коллайдера, в котором сталкивались бы протоны и антипротоны, рассматривалась не только в Европе. Самым высокоэнергетическим коллайдером такого типа был ТэВатрон в городке Батавия (штат Иллинойс). В тэватроне удалось достичь энергии 2 ТэВ (что примерно в 2000 раз превышает энергию покоя протона). Протоны и антипротоны сталкивались там с образованием новых частиц, которые мы могли затем изучить во всех подробностях. Самым значительным открытием, сделанным на тэватроне, стало открытие t–кварка — самой тяжелой и последней по времени обнаружения из частиц Стандартной модели.

Однако БАК отличается и от первого коллайдера CERN, и от тэватрона (обзор различных типов коллайдеров см. на рис. 22). БАК сталкивает не протоны с антипротонами, а два протонных пучка. Причина, по которой ученые предпочли работать с двумя протонными пучками вместо одного пучка протонов и одного — антипротонов, требует дополнительных пояснений. Как мы уже говорили, максимальными потенциальными возможностями обладают те столкновения частиц, при которых суммарный заряд участвующих частиц равен нулю. В этом случае можно получить что угодно плюс соответствующую античастицу (если, конечно, хватит энергии). Если в столкновении участвует два электрона, суммарный заряд того, что получится, должен будет равняться -2, что, понятно, заранее исключает множество возможностей. Можно подумать, что столкновение двух протонов — столь же неудачная идея. В конце концов, их суммарный заряд равен +2, и на первый взгляд кажется, что плюс два ничем не лучше минус двух.

Если бы протоны были фундаментальными частицами, это был бы совершенно правильный вывод. Однако, как мы уже говорили в главе 5, протоны состоят из более мелких деталей. Протоны содержат кварки, связанные глюонами. Но даже в этом случае, если бы дело ограничивалось тремя валентными кварками — двумя верхними и одним нижним, — которые, собственно, несут на себе заряд частицы, дело обстояло бы немногим лучше: никакая пара валентных кварков не дает нулевого суммарного заряда.

РИС. 22. Сравнительная таблица коллайдеров. Показаны их энергии, что именно сталкивается и форма ускорителя * LEP был модернизирован и превратился в LEP2.

Однако большая часть массы протона обусловлена не массой содержащихся в нем кварков. Своей массой протон обязан прежде всего энергии связей, удерживающих эту частицу как единое целое. Летящий с высокой скоростью протон несет на себе огромное количество энергии. При этом он помимо трех валентных кварков, ответственных за заряд, содержит целое море кварков, антикварков и глюонов. Это значит, что, если заглянуть внутрь высокоэнергетического протона, там обнаружатся не только три валентных кварка, но и множество виртуальных кварков, антикварков и глюонов, заряды которых складываются и дают в сумме нуль.

Из сказанного следует, что при рассмотрении протонных столкновений нам следует быть немного более аккуратными в своих логических построениях и выводах, чем когда мы рассуждаем об электронах. Интересные события — результат столкновения субчастиц и заряды в них складываются тех же субчастиц, а вовсе не протонов. Хотя на общий заряд протона «дополнительные» кварки и глюоны не влияют, в его составе они все же присутствуют.

При столкновении протонов может так случиться, что один из трех валентных кварков одного протона столкнется с одним из валентных кварков другого протона, и тогда суммарный заряд частиц, участвующих в столкновении, будет ненулевым. Даже при ненулевом суммарном заряде могут иногда происходить интересные события с участием удачной суммы зарядов, но такое столкновение, конечно, не имеет тех широчайших возможностей, которые характерны для столкновения с нулевым суммарным зарядом.

Однако мы будем наблюдать немало и других интересных столкновений с участием частиц из виртуального моря; здесь вполне возможны ситуации, когда какой-нибудь кварк столкнется с соответствующим антикварком или глюон с глюоном, и тогда столкновение будет иметь нулевой суммарный заряд. При столкновении протонов любой кварк одного из них может столкнуться с соответствующим антикварком из другого, хотя, конечно, это не самый распространенный тип столкновения. Если задаться вопросом, что происходит в БАКе, то окажется, что свою роль в столкновениях протонов играют все возможные процессы, включая и столкновения субчастиц из виртуального моря. Более того, по мере ускорения протонов и, соответственно, повышения их энергии, «морские» столкновения становятся все более вероятными.

Полный заряд протона не определяет, какие частицы образуются при столкновении, потому что остальная часть протона просто улетает дальше. Части протонов, не участвующие в событии, уносят с собой остальную часть заряда частицы, которая затем теряется. Это, кстати говоря, ответ на вопрос падуанского мэра, который спросил, куда деваются при столкновениях в БАКе заряды протонов. Все дело в составной природе протона и высокой энергии летящих частиц; именно она гарантирует, что в столкновении непосредственно участвуют лишь самые мелкие из известных нам элементов — кварки и глюоны.

Поскольку в столкновении участвуют только части протонов, причем иногда (при столкновениях с нулевым суммарным зарядом) это виртуальные фрагменты, выбор между протон–протонным и протон–антипротонным коллайдерами не так уж очевиден. Если в прошлом в низкоэнергетических коллайдерах имело смысл идти на дополнительные сложности, связанные с производством и хранением антипротонов, чтобы обеспечить как можно большее число интересных событий, то теперь в БАКе все иначе. При тех уровнях энергии, с которыми работаем, на виртуальные кварки, антикварки и глюоны приходится значительная часть энергии протона.

Итак, физики и инженеры проекта БАКа выбрали вариант с двумя пучками протонов и отказались от работы с протонами и антипротонами. При этом высокая светимость, то есть высокое число событий, становится гораздо более достижимой целью, а получить пучок протонов все же гораздо проще, чем пучок антипротонов такой же плотности.

Так что БАК — протон–протонный, а не протон–антипротонный коллайдер. В нем происходит очень много столкновений (конечно, ведь с двумя протонными пучками добиться этого гораздо проще), и потенциал его огромен!