Большой электрон-позитронный коллайдер

Одной из крупнейших когда-либо построенных подобных машин стал Большой электрон-позитронный коллайдер, ускоритель заряженных частиц, который мы упомянули в начале предыдущей главы. Расскажем о нем подробнее.

Строительство ускорителя для столкновения электронов и позитронов началось осенью 1983 года в Швейцарии, неподалеку от Женевского озера. На глубине 100 метров был вырыт кольцевой туннель, длина которого в целом составила 27 километров (длина кольцевой ветки лондонского метро). Подземное кольцо пролегало под швейцарскими виноградниками, пересекало границу и уходило во Францию. Огромное кольцо состояло из восьми частей (секций), длина каждой – 3 км. Между этими закругленными секциями находились другие, прямые, длина каждой прямой секции составила 500 м. В точках пересечения встречных пучков ускорителя были построены четыре экспериментальные установки, каждая из которых состояла из большого числа детекторов частиц. Магниты направляли пучки электронов и позитронов к цели. Направляющих магнитов было три с половиной тысячи, а еще тысячу магнитов специально сконструировали для фокусировки пучков, чтобы повысить концентрацию электрических зарядов. Эксперименты завершились в 2000 году, а сам ускоритель демонтировали. В настоящее время в этом же туннеле размещен новый ускоритель – Большой адронный коллайдер.

Большой электрон-позитронный коллайдер – крупнейший инструмент для научных работ конца ХХ века. Именно в нем регулярно получали и удерживали антиматерию, а потом происходила ее аннигиляция

Эксперименты на Большом электрон-позитронном коллайдере дали возможность всесторонне изучить бозоны и позволили показать, что слабое и электромагнитное взаимодействия имеют сходную природу и могут быть объединены в рамках одного взаимодействия – электрослабого.

Электроны производили, отделяя от атомов, а затем их движение ускорялось в небольшом ускорителе. Позитроны получали, выстреливая электронным пучком по небольшой вольфрамовой цели, благодаря энергии столкновений получались позитроны и новые электроны. Позитроны хранили в накопительном кольце, которое по сути напоминало более раннее изобретение Симона Ван дер Меера, которое хорошо сработало для хранения антипротонов (о нем мы расскажем ниже). Когда позитронов накапливалось достаточно, их направляли в серию ускорителей, которые увеличивали их энергию, пока они не начинали двигаться достаточно быстро, чтобы войти в основное кольцо Большого электрон-позитронного коллайдера. Там они путешествовали по трубкам между магнитами. Это была самая длинная вакуумная система из когда-либо построенных. Внутри трубок давление снижалось до меньшего уровня, чем давление на Луне. Ведь после таких усилий, приложенных для производства, сохранения и фокусировки пучков позитронов, очень важным было качество вакуума, чтобы позитроны не разрушились случайными атомами воздуха.

Магнитные поля направляли электроны и позитроны по тем же круговым «тропам», но в противоположных направлениях. Если эти тропы нигде не соединяются друг с другом, все идет хорошо. Но в четырех точках небольшие импульсы электрических и магнитных полей слегка отклоняли пучки таким образом, что их пути пересекались. Даже в этих точках пучки были такие диффузные, что почти все отдельные электроны и позитроны не сталкивались друг с другом и продолжали циркулировать. Однако время от времени происходило столкновение позитрона и электрона, что вело к их взаимной аннигиляции и выбросу энергии.

Это было ключевым моментом. Способность антиматерии уничтожать материю и высвобождать всю ее энергию использовалась здесь наукой для воссоздания, пусть и на одно короткое мгновение и на крошечном участке пространства, того, что представляла собой Вселенная в целом в первые мгновения после Большого взрыва. Ученых интересовало, что было дальше. Они наблюдали за тем, какие формы частиц и античастиц вышли после этого моделирования, «малого взрыва», и узнали, как энергия впервые была преобразована в вещество во время настоящего Большого взрыва. Использовалась очень сложная электроника, которая была установлена везде, где могли произойти столкновения. Она улавливала и записывала появление этих первобытных образцов материи и антиматерии. В Большом электрон-позитронном коллайдере снова и снова повторялось давнее сотворение мира.

И все это было результатом способности производить и управлять пучками позитронов, которые выживали продолжительное время. Для работы аппаратуры требовалась такая точность, что оказалось, что на работу Большого электрон-позитронного коллайдера влияет движение Луны. Энергия разгоняемых частиц также зависела и от ряда других неожиданных факторов: уровня воды в Женевском озере и прибытия поездов на вокзал в Женеве. Ученые связали такую зависимость с деформациями кольца ускорителя, вызываемыми этими факторами. Но вначале они заметили, что в некоторые дни электроны и позитроны появляются чуть раньше, в другие разы они появлялись чуть позже в тех местах, где должно было происходить их взаимное уничтожение. Разница составляла меньше наносекунды, но Большой электрон-позитронный коллайдер смог ее уловить. То есть сначала они появлялись раньше, потом позже, а затем снова раньше – и для этого требовался цикл из двадцати восьми дней. И точно определив продолжительность цикла, ученые поняли, что машина, обладающая невероятной точностью, поразительно чувствительна. 28-дневный лунный цикл, который влияет на приливы и отливы, на океаны и моря, также влияет и на камни на поверхности Земли, хотя и в очень незначительном количестве. То есть все 27 километров Большого электрон-позитронного коллайдера расширялись и сужались на несколько миллиметров каждый месяц, так что в некоторые дни пучкам приходилось путешествовать чуть дольше, а через две недели их путь становился чуть короче. Не будем подробно рассматривать влияние поездов, прибывающих на Женевский вокзал, на работу коллайдера в этой книге, но оно тоже было отмечено!

В этих экспериментах участвовали сотни ученых со всего мира. Через десять лет экспериментов на Большом электрон-позитронном коллайдере было показано, как создавалась материя, когда возраст Вселенной составлял всего одну миллиардную долю секунды. Из «мини-взрыва» вышли частицы и античастицы, например, электрон и позитрон, или кварк и антикварк. Многие из них были известны до начала работы Большого электрон-позитронного коллайдера, но он позволил ученым лучше понять, в каком отношении друг к другу существуют эти различные формы частиц и античастиц. В дополнение к знакомым электрону и двум типам кварка, которые соединяются вместе для получения протонов, нейтронов и материи в той форме, которую мы знаем, есть и другие типы, редкие или вообще отсутствующие на Земле, но побывавшие в огненной буре в самом начале существования Вселенной.

Большой электрон-позитронный коллайдер позволил взглянуть на то, что представляла собой Вселенная, когда энергия застывала, превращаясь в материю и антиматерию. Возникло много сотен типов частиц и античастиц. Например, природе показалось, что одного электрона, как единственной возможной частицы, удаленной от ядра и находящейся у внешней границы атома, недостаточно, и она создала еще две более тяжелые версии. Это мюон, который в 200 раз тяжелее, и тау – в 4000 раз тяжелее. Они идентичны с электроном по электрическому заряду и, насколько мы можем судить, во всем другом, кроме массы. И так же как у электрона есть свой двойник – античастица под названием позитрон, так и у каждой из упомянутых других частиц тоже есть положительно заряженная античастица.

То же самое можно сказать и о кварках. Протоны и нейтроны состоят из верхних и нижних кварков. Есть две более тяжелые версии верхнего кварка и две более тяжелые версии нижнего кварка. И у каждого из них есть свой антикварк.

Однако благодаря Большому электрон-позитронному коллайдеру были обнаружены частицы, показывающие, что материя и антиматерия, несмотря на симметричное производство, могут вести себя асимметрично во время своей короткой жизни и во время гибели. Если мы сможем найти объяснения этому и понять, как это происходит, мы сможем ответить на вопрос, почему материя и антиматерия взаимно не уничтожили друг друга сразу же после создания миллиарды лет назад и почему во Вселенной сегодня кое-что остается вместо ничего. Понимание глубокой связи и поиск мельчайших различий между материей и антиматерией – это то, чем занимаются и будут заниматься ученые.

Через некоторое время началась тенденция к снижению размеров ускорителей, и в последние годы были построены относительно небольшие коллайдеры в Стэнфордском университете, в Японии и в лаборатории Фраскати, откуда все начиналось, чтобы электроны и позитроны сталкивались в специально выбранных условиях, где, как надеются ученые, могут раскрыться какие-то различия между материей и антиматерией.

Тот факт, что эти аппараты вообще работают, показывает поразительную симметрию между материей и антиматерией. Пучки электронов и позитронов путешествовали по Большому электрон-позитронному коллайдеру снова и снова и вовремя приходили на место встречи, что свидетельствует об одинаковой реакции на направляющие магнитные силы. Это результат точно уравновешенных электрических зарядов и идентичных масс, которые заставляют их идти по предварительно установленным путям в противоположных направлениях. Точно так же мы можем сравнить время, которое нужно протону или антипротону для завершения круга в магнитном поле, и из этого мы знаем о схожести протона и антипротона.