Глава 8
Физика элементарных частиц выходит на новый уровень: странные резонансы
Луис Альварес клевал носом, когда самолет, на котором он летел, Great Artiste, приближался к Японии. Это было 6 августа 1945 года, незадолго до рассвета, и тридцатичетырехлетний физик был измотан. Его пилот следовал за другим самолетом, бомбардировщиком B-29 Enola Gay. Третий, неназванный, самолет, позже получивший прозвище «Необходимое зло», летел рядом. В отличие от большинства бомбардировок Второй мировой войны, в которых были задействованы сотни самолетов, в этой участвовали только три: они должны были скрытно подлететь и сбросить одну бомбу на город Хиросима. Но не обычное оружие, а «Малыша» – атомную бомбу, начиненную обогащенным ураном.
Альварес использовал свои знания физики в разработке «Малыша» в рамках Манхэттенского проекта – секретной американской программы, задуманной совместно с союзниками из Великобритании и Канады, – в котором было разработано первое ядерное оружие. За время войны проект превратился в огромное предприятие, на котором было занято 100 тысяч человек, большинство из них даже не подозревали о цели своей работы. Когда военное руководство приняло решение использовать новое оружие против Японии, Альваресу было поручено установить приборы, которые могли бы отследить падение бомбы и замерить количество энергии, выделившейся при ее взрыве. Хотя Альварес был оснащен парашютом, он решил, что не станет его использовать: если их собьют, то лучше умереть, чем попасть в плен к японцам.
Выпущенная бомба пролетела 44 секунды, прежде чем взорваться. Небольшой внутренний взрыв – имплозия – объединил два куска высокообогащенного урана, образовав критическую массу. Затем ядра урана-235 разделились, высвободив нейтроны и запустив цепную реакцию. Ослепляющий световой импульс наполнил самолет Альвареса, за которым последовала серия ударных волн, угрожающих разорвать самолет на части. 10 минут – и ядерный гриб поднялся на высоту до 18 км. Альварес посмотрел на пейзаж внизу. Пустошь. Позже он писал, что «тщетно искал город, который был нашей целью», думая, что, возможно, они промахнулись. Пилот все ему разъяснил: цель – город Хиросима – поражена. 80 тысяч человек были убиты в одно мгновение.
На обратном пути на базу, когда до него дошла судьбоносность миссии, Альварес написал письмо своему четырехлетнему сыну. Он знал, что мальчику будет трудно понять, как его отец мог оказаться причастен к такому историческому событию. За плечами семьи Альвареса было много приключений: дедушка Альвареса сбежал на Кубу, изучал медицину в Калифорнии, затем женился на бабушке (выросшей в Китае) и перевез семью на Гавайи. Отец Луиса (тоже врач) и мать некоторое время работали в Мексике, прежде чем вернуться в Сан-Франциско, где родился Альварес. Высокий, светловолосый, смелый и умный, Альварес выбрал физику, поскольку чувствовал, что она приведет его к приключениям. Но военная работа была не тем приключением, которое он изначально имел в виду.
Три дня спустя Альварес наблюдал с острова Тиниан, как его коллеги вылетели сопровождать вторую бомбу, которая была сброшена на город Нагасаки. На следующий день, 10 августа 1945 года, японцы были готовы капитулировать. Альварес не писал об этих событиях еще 40 лет.
Сегодня Мемориальный музей мира в Хиросиме рассказывает историю разрушительного воздействия ядерного оружия на город и исследует более широкие последствия его применения во время Второй мировой войны. Физикам в этом музее особенно тревожно: поразительное количество известных имен из нашей области фигурирует в музейном описании Манхэттенского проекта. Многие из персонажей, с которыми мы уже встречались в этой книге, участвовали в разработке ядерного оружия, потому что обладали теми знаниями и навыками, которые были необходимы для этого проекта.
Циклотроны Эрнеста Лоуренса были преобразованы для разделения изотопов урана, а он сам руководил обширным предприятием по созданию калютронов (устройств для разделения изотопов) на основе накопленного его командой опыта при создании машин в Беркли. В проекте участвовали несколько сотрудников и студентов Лоуренса, в том числе Альварес. Сету Неддермейеру пришла в голову идея имплозии, позволяющей обеспечить критическую массу плутониевой бомбы, сброшенной на Нагасаки. Нильс Бор, Джеймс Чедвик, Джон Кокрофт и Марк Олифант принимали участие в проекте наряду со многими теоретиками, которые сыграли менее заметную роль в нашей истории, включая коллегу Лоуренса Роберта Оппенгеймера, как известно, возглавившего проект.
Некоторые приглашенные физики отказались от участия в Манхэттенском проекте, чтобы заняться другой работой во время войны. Карла Андерсона просили возглавить проект, но, поскольку ему нужно было заботиться о своей матери, он предпочел другую работу – с артиллерийскими ракетами. Одной из ученых, наотрез отказавшихся участвовать, была Лиза Мейтнер, одна из немногих женщин-физиков того времени. Прозванная Эйнштейном «немецкой Марией Кюри», Мейтнер была родом из Вены. Ей пришлось изучать физику в частном порядке, потому что государственные университеты не принимали женщин. Поощряемая и финансово поддерживаемая своим отцом, она отправилась в Берлин, после того как получила докторскую степень. Там она каким-то образом добилась разрешения Макса Планка на посещение его лекций и в конце концов стала его ассистенткой.
Позже, когда она стала первой женщиной-профессором физики в Германии, ей пришлось покинуть страну из-за своего еврейского происхождения. Лиза Мейтнер первой поняла, что ядра могут не просто испускать бета– или альфа-частицы, а полностью расщепляться, и ее племянник Отто Фриш назвал это явление «делением ядра». Несмотря на возможность применить свои знания, она отказалась присоединиться к Манхэттенскому проекту, заявив: «Я не стану иметь ничего общего с бомбой!» Коллега Мейтнер Отто Ган опубликовал первые доказательства деления ядра, не указав ее в качестве соавтора, чтобы не выдать факт своей с ней переписки и в результате не подвергнуться преследованиям. В 1944 году Ган был удостоен Нобелевской премии за эту работу. Вклад Мейтнер не был признан.
Те, кто все же согласился присоединиться к Манхэттенскому проекту, не знали, выполнима ли вообще порученная им задача – создать ядерное оружие. Но после первого испытания в июле 1945 года, названного «Тринити», стало ясно, что это действительно возможно. Это привело в ужас многих физиков, которые подписали петиции в Чикаго и Лос-Аламосе, возражая против применения созданного ими оружия. Но не в их власти было принимать решения. После того как были сброшены бомбы и разрушены Хиросима и Нагасаки, настрой физиков в Лос-Аламосе был мрачным. Как позже вспоминала Эвелин Литц, работавшая библиотекарем и занимавшаяся физикой здоровья, «в день, когда была сброшена бомба, не было никакого веселья… Все остались по домам; мы были очень серьезны». Многие физики, такие как Альварес, очень долго не говорили об этом событии. Большинство из них позже ссылались на то, что это помогло положить конец войне и, таким образом, спасло жизни с обеих сторон. Какой бы ни была их моральная позиция, работа была сделана.
Физики вышли из Второй мировой войны уже не такими наивными, сильнее осознавая свою социальную ответственность. Они не искали искупления, но в послевоенную эпоху определенно возродилось стремление использовать свои навыки на благо мирного общества. Во время войны физика использовалась в разрушительных целях, но теперь настало время для благородных стремлений: накопления знаний и открытия новых частиц. Как и в случае с Манхэттенским проектом, это начинание требовало международного сотрудничества, которое Соединенные Штаты, как уже доказано, способны обеспечить. Физики приступили к своей работе в совершенно иных масштабах, и это окупилось как для науки, так и для общества.
16 августа 1945 года Уинстон Черчилль заявил, что «Америка сегодня находится на вершине могущества». Он поделился с Палатой общин своим желанием сохранить секреты атомного оружия в тайне ради «общей мировой безопасности». Соединенные Штаты создали огромный военно-промышленный потенциал, который, по мнению Черчилля, накладывал на страну новые послевоенные обязательства. Он продолжил: «Пусть они действуют в соответствии со своими обязанностями, не для себя, а для других, для всех людей во всех странах, и тогда для человечества наступит более светлый день».
Для многих молодых физиков, таких как Альварес, их исследовательская работа была прервана войной. Теперь каждый стоял перед выбором: что делать дальше? Большинство физиков вернулись в свои университеты и исследовательские лаборатории. Альварес вернулся в Беркли с твердым намерением применить свои знания о радарах в ускорителях частиц.
Его выбор был продиктован осознанием того, что он будет работать с лучшим оборудованием в мире. При финансовой поддержке правительства США команда из Беркли завершила строительство большого циклотрона, который они начали еще до войны, но с одним изменением: они включили принцип фазовой стабильности Эдвина Макмиллана (см. главу 7) и построили протонный синхроциклотрон, который достиг беспрецедентной энергии пучка в 350 Мэ В. Команда из Беркли приступила к поиску новых частиц.
Сначала они использовали ускоритель для воспроизведения открытий, сделанных с использованием космических лучей. Эксперименты на горных вершинах с облачными камерами и ядерными эмульсиями показали себя продуктивным методом обнаружения позитронов, мюонов и пионов, как мы видели в главе 4. Теперь появились свидетельства существования новых частиц, обладающих свойствами, сильно отличающимися от тех, которые ученые видели раньше, – таких как электрически нейтральные V-частицы (1947), идентифицируемые по их распаду на пары треков, которые образовывали V-образную форму в детекторах. В 1949 году была обнаружена другая частица, которая распалась на три пиона, позже названная каоном, а в 1952 году в космических лучах была обнаружена новая частица, названная кси-минус-гипероном («гипер», потому что частица тяжелее протона).
Природа, казалось, изобиловала частицами, которые не играли никакой роли в повседневной жизни, и было неясно, каково их значение. Что еще хуже, большинство новых частиц оказались долгоживущими (где «долго» означает наносекунды), что заставило теоретиков ломать голову. Новые частицы стали называть «странными». По всего нескольким фотографиям каждой новой частицы нельзя было полностью понять их.
Единственный способ разобраться в их тайнах – создать их в больших количествах в лаборатории.
Новый большой циклотрон в Беркли сыграл решающую роль. В 1949 году физики, работавшие с ускорителем Альвареса и Лоуренса на 350 МэВ, обнаружили частицу, которую не заметили облачные камеры: электрически нейтральную версию пиона. Знаменательно то, что впервые неизвестная частица была обнаружена с использованием ускорителя, а не космических лучей. Наконец, технология ускорителей достигла беспрецедентных энергий, и с гораздо более совершенными и надежными машинами физики начали выходить за рамки того, что им могли предложить эксперименты с космическими лучами. Ускорители частиц обеспечивали контролируемые условия, необходимые для того, чтобы собрать воедино сложную головоломку из частиц и сил. Единственная проблема заключалась в том, что 350 МэВ – это недостаточно высокая энергия, чтобы увидеть полную картину.
Энергетический диапазон ускорителя был решающим, потому что странные частицы оказались тяжелыми – их масса больше массы ранее открытых частиц, таких как мюон и пион. Эквивалентность между энергией и массой определяется уравнением Эйнштейна E = mc2 и настолько укоренилась в физике элементарных частиц, что мы даже используем единицы энергии для описания масс частиц. Нейтральный пион (π0), например, имеет массу 135 МэВ, что является его массой покоя – массой, измеренной в неподвижном состоянии, но выраженной в единицах энергии (МэВ). Эта эквивалентность между массами и энергиями частиц означает, что E = mc2 дает нам обменный курс между массой и энергией. Это абсолютно ошеломляющий курс, потому что c, скорость света, составляет 299 792 458 метров в секунду. В квадрате это число настолько велико, что я не осмелюсь его здесь записать. И это больше не теоретический обмен: с большими ускорителями это стало экспериментальной реальностью.
Создание ускорителей для достижения более высоких энергий уже не сводилось только к исследованию нейтронов и протонов в ядре. Чего хотели ученые, хотя в то время они не формулировали это таким образом, так это создать совершенно новые частицы из вакуума, из энергии. Поначалу это сбивает с толку. Основной принцип заключается в том, что мы бомбардируем мишень высокоэнергетическими частицами – в данном случае протонами. Первоначальные частицы исчезают, и вся эта энергия преобразуется в новые частицы, новую материю. Исходная частица просто перестает существовать – что противоречит представлениям классической физики, но допускается в квантовой механике.
Конечно, тут есть ряд правил: природа не позволит вам бомбардировать любую мишень любой частицей и производить все, что вам заблагорассудится. Должны соблюдаться определенные величины. Например, общая энергия частиц, вступающих в столкновение, должна быть такой же, как и при выходе. Когда вы ударяете пучком частиц в цель, большая часть этой энергии идет не на создание новых частиц, а уносится в виде кинетической энергии в обломках. Существуют и другие правила, регулирующие взаимодействия частиц, включая сохранение электрического заряда, момент импульса (частица может вращаться вокруг своей оси) и другие квантовые числа, но подробнее об этом позже. Сейчас важно то, что для создания странных частиц физикам из Беркли был нужен протонный пучок с более высокой энергией, чем когда-либо мог обеспечить циклотрон.
Перед Альваресом и Лоуренсом возникла новая большая цель: построить машину достаточно мощную, чтобы создавать все известные странные частицы, обнаруженные в космических лучах, и, возможно, даже более тяжелые. Для этого надо построить машину нового типа. Вместо циклотрона, для которого требовался один огромный магнит (магнит для циклотрона с энергией в 350 МэВ был настолько велик, что команда из 100 человек смогла легко сфотографироваться, сидя в его железном ярме), они собирались построить ускоритель, кольцо которого состоит из множества небольших магнитов. Команда из Беркли начала разрабатывать планы протонного синхротрона – кольцеобразной машины, отличной от ранее существовавшего синхроциклотрона, – которая могла бы достигать тех же энергий, что и частицы, исходящие от космических лучей. Поскольку такой ускоритель мог достигать миллиардов электрон-вольт, диапазона ГэВ, название машины было соответствующим: ее назвали Беватрон.
Команда из Беркли была не одинока в своих амбициях. На Лонг-Айленде 11 университетов объединились для создания новой Брукхейвенской национальной лаборатории, и строительство их собственного протонного синхротрона уже шло полным ходом. В 1953 году они запустили Космотрон – 23-метровое кольцо медного цвета, состоящее из 288 магнитов, каждый из которых весит шесть тонн. Вершина промышленной красоты. Внутри всей этой меди и железа находилась вакуумная труба, в которой протоны разгонялись до 88 % от скорости света. Когда Космотрон достиг расчетной энергии в 3,3 ГэВ, он стал рекордсменом среди ускорителей, превзойдя циклотрон в Беркли почти в 10 раз.
Команда из Беркли не отставала, и в 1954 году, всего через год после запуска Космотрона, Беватрон с ревом ожил. Ошибиться тут было невозможно: огромный мотор-генератор ходил взад и вперед, наполняя бетонный зал воющими звуками. Беватрон был даже больше Космотрона, его ширина составляла 41 метр, а вакуумная труба была такой большой, что, как говорили, по ней можно чуть ли не проехать на автомобиле. Альварес и его коллеги – главный физик Эд Лофгрен и инженер Уильям Бробек – превзошли своих соперников, достигнув почти вдвое большей энергии, чем у Космотрона, и создав пучок протонов с рекордной энергией в 6,2 Гэ В.
Зачем строить два ускорителя вместо одного? Помимо географического расстояния между двумя лабораториями и сосредоточения исследовательских сообществ на Восточном и Западном побережье, причина в первую очередь заключалась в том, что правительство США приняло решение продолжить эксплуатацию крупных лабораторий, созданных во время войны, объединив человеческие и финансовые ресурсы для достижения великих научных целей. А создание новых лабораторий, таких как Брукхейвен, могло обеспечить, как считалось, здоровую конкуренцию.
Технологические достижения Второй мировой войны продемонстрировали, что команда физиков и инженеров с достаточными ресурсами может решать невероятно сложные теоретические и практические проблемы. Более того, они доказали свою способность работать в командах беспрецедентного размера и сложности – сотни ученых и инженеров и десятки тысяч других сотрудников, от строителей до пожарных, – для достижения одних из самых сложных целей, которые когда-либо перед собой ставило человечество. Такой подход поспособствовал развитию других амбициозных научных проектов, включая космическую программу США и Советского Союза. Отныне физике, особенно в Соединенных Штатах, был присвоен статус, которого не было ни у одной другой дисциплины.
Такая поддержка физики совпала с периодом огромного роста в Соединенных Штатах. Экономика процветала, принося новые потребительские товары, новые богатства и развивая пригороды. Уровень рождаемости вырос: только в 1946 году родились рекордные 3,4 миллиона младенцев. Государственный бюджет также расширился за счет инвестиций в дорожное сообщение между штатами, школы, военные операции и новые технологии, такие как компьютеры. В результате в 1950–1960-х годах физика элементарных частиц также пережила бум. Сами физики обрели чувство уверенности. Ответы на животрепещущие вопросы были почти у них в руках: что это за странные частицы, обнаруженные в космических лучах, и что можно узнать из них о Вселенной, о материи и о силах, которые связывают все воедино? У всех ли новых частиц есть их эквивалент в антивеществе? И есть ли во всем какой-то основополагающий порядок?
Эксперименты переросли университетские лаборатории и стали проводиться на национальных объектах, объединяющих большие группы людей в стремлении к общей цели. Альварес и Лоуренс были лишь двумя из многих физиков, участвовавших в этом изменении. Эксперименты, проведенные в этот период, были сосредоточены на больших ускорителях частиц, начиная с Беватрона и Космотрона, которые в конечном итоге должны были подавать частицы в новые детекторы, выдающие миллионы изображений для анализа. Даже значение слова «эксперимент» в лексиконе физиков поменяло свое значение.
Как мы уже видели, раньше исследователи сами создавали свое оборудование с нуля или, по крайней мере, управляли им самостоятельно. Эксперимент служил проверкой или испытанием идеи ученого. Но к 1950-м годам эксперимент подразумевал создание гигантского механизма, спроектированного одной группой, обслуживаемого инженерами-специалистами, управляемого преданным своему делу персоналом, а полученные результаты анализировались одной командой и интерпретировались другой. Несколько групп в рамках одного эксперимента могли искать ответы на совершенно разные вопросы, а ускорители, детекторы и другие части оборудования изменялись и совершенствовались по мере изобретения и внедрения новых технологий. Стало трудно сказать, где заканчивается один эксперимент и начинается другой.
Сегодня исследователи в области физики элементарных частиц привыкли к крупным лабораториям и международному сотрудничеству, но это не всегда было в порядке вещей. Только в середине ХХ века, в эпоху Большой науки, объединились технологические, политические, научные и личные факторы, подарив нам современный подход к физике элементарных частиц. В результате количество обнаруживаемых частиц резко возросло, а эксперименты стали так далеко опережать теорию, что потребовалось почти 20 лет, чтобы математически осмыслить основополагающий порядок.
Сидя перед пультами управления, заполненными циферблатами и счетчиками, операторы ускорителей доводили Космотрон (на Восточном побережье) и Беватрон (на Западном побережье) до полной мощности, а затем направляли луч на цель, создавая потрясающий источник редких частиц. Вскоре команды произвели и измерили все известные частицы космических лучей: пионы, мюоны, позитроны и странные частицы. Теперь можно было наблюдать не просто отдельные пионы при кропотливом анализе космических лучей, а генерировать устойчивый пучок пионов с большим количеством энергии и детально его анализировать. В 1953 году на Космотроне пионы запустили в облачную камеру, где, как будто по требованию, было обнаружено огромное количество странных частиц, а вскоре и Беватрон последовал примеру. Благодаря ускорителям физики заполучили скорость передачи данных, о которой первооткрыватели космических лучей могли только мечтать.
К 1954 году, когда начал работать Беватрон, список странных частиц увеличился: по словам Альвареса, было найдено «несколько заряженных частиц и нейтральная частица, все с массами около 500 МэВ», а также три более тяжелые, чем протон, нейтральная лямбда-частица (Λ), две заряженные сигмы-частицы (Σ±) и отрицательная кси-частица (Ξ—). Далекий от того, чтобы разом ответить на все их вопросы, список странностей только увеличивался по мере того, как ученые проводили больше измерений. Появлялись странные частицы со временем жизни в 100 миллиардов раз дольше, чем ожидалось. Не то чтобы они жили долго с объективной точки зрения – они распадались всего через 10–10 секунд, в миллион раз быстрее, чем мгновение ока, – но по прогнозам теоретиков они должны распадаться всего за 10–21 секунд, то есть еще в 100 миллиардов раз быстрее!
Кроме того, вопреки ожиданиям физиков, некоторые частицы не производились в равных количествах.
На тот момент физики считали, что в природе существуют четыре силы. Гравитация и электромагнетизм были хорошо известны, но они не объясняли ядерную сферу, поэтому были предложены две другие. Концепция сильного ядерного взаимодействия была выдвинута Хидеки Юкавой в 1934 году как сила, которая связывает протоны и нейтроны в ядре. Его теория исходила из частицы с массой, примерно в 200 раз превышающей массу электрона, которая переносила или опосредовала эту силу. Сначала считалось, что мюон – переносчик сильного взаимодействия, но вскоре это было исключено, поскольку он не взаимодействовал с ядерной материей ожидаемым образом. Позже была выдвинута кандидатура пиона, но это все еще оставалось неясным. Второй предложенной силой было слабое ядерное взаимодействие, ответственное за радиоактивный бета-распад, оно описывалось в теории Энрико Ферми еще в 1933 году. Куда вписывались странные частицы, оставалось неизвестным. Может ли быть так, что странные частицы создаются одной силой, сильным ядерным взаимодействием, но разрушаются через слабое взаимодействие?
В Мичиганском университете двадцатипятилетний физик-экспериментатор Дональд Глазер столкнулся с проблемой странных частиц. Даже в 1950 году он понимал, что странные частицы привели к тому, что физика элементарных частиц, по его словам, «как бы застряла». В то время все в этой области знали, в чем причина: недостаточно данных. Без дополнительных данных теоретикам недоставало информации, чтобы выяснить, что такое странные частицы или как они сочетаются с другими частицами и силами в природе. Глазер намеревался найти способ это исправить.
Строительство больших ускорителей само по себе не решало всех загадок странных частиц. Конечно, ускорители могут создавать много странных частиц, но все это бесполезно, если их не получается обнаружить и измерить. Пока Альварес и другие занимались созданием больших ускорителей, идея Глазера заключалась в создании детектора, который мог бы улавливать больше данных от космических лучей, чем облачная камера.
В отличие от многих других физиков того времени, Глазер не хотел работать в больших лабораториях, предпочитая вместо этого свою небольшую университетскую группу. Он тщательно обдумал, какой жизнью он хотел бы жить. Будучи спортивным человеком, он мечтал жить на вершине горы на горнолыжном курорте, днем катаясь на лыжах, пока его оборудование собирало данные. По вечерам он бы их просматривал и открывал новые частицы. Он знал, что некоторые швейцарские исследователи живут именно так, медленно, но устойчиво набирая новые знания с большим количеством времени для размышлений.
Глазер знал, что в новом детекторе ему надо найти способ придать взаимодействиям крошечных частиц огромное усиление, чтобы сделать их доступными для записи. Он имел в виду метастабильное состояние, когда крошечное количество энергии вызывает гораздо больший эффект, точно так же, как облачная камера использует метастабильное состояние перенасыщенного пара, чтобы вызвать образование облачных капель. Сначала Глазер рассматривал возможность использовать облака, но, когда узнал, что группа в Брукхейвене пытается построить облачную камеру с высоким давлением, где сброс между снимками занимает 20 минут, решил, что это бесполезно, так как такая камера никогда не соберет достаточно данных. Он отправился на охоту за новым способом регистрации частиц.
Глазер предположил наличие какой-нибудь жидкости, которая затвердевала бы при прохождении через нее частицы, образуя нечто вроде «пластиковой рождественской елки» из распадов и взаимодействий частиц. Он мечтал, что сможет собирать эти пластиковые деревья, измерять все углы и таким образом открывать новые частицы. Но, когда он попробовал провести такой эксперимент с химическим раствором, вместо того чтобы образовать «рождественские елки», смесь просто превратилась в вязкую коричневую массу. Глазер не стал утруждать себя публикацией результатов и перешел к следующей идее. Он попытался использовать кристаллы льда в воде, но понял, что потребовалось бы слишком много времени, чтобы растопить лед и возобновить эксперимент. Глазер перепробовал все физические, электрические и химические установки, какие только мог себе представить, но ни одна из них, казалось, не была способна произвести запись событий с участием частиц, пригодную для сбора данных.
Но в 1951 году мысль о скороварках все изменила. В скороварке вода нагревается до температуры выше точки кипения (100 градусов по Цельсию), прежде чем появляются пузырьки. Глазер задался вопросом, можно ли налить в скороварку жидкость и довести ее до такой температуры выше точки кипения, чтобы в случае быстрого снятия крышки она оказалась достаточно нестабильной и чувствительной к воздействию частиц.
Он попробовал несколько различных жидкостей, пытаясь выяснить, будут ли они образовывать пузырьки при воздействии источника излучения. У газированной воды слишком большое поверхностное натяжение для работы, с имбирным элем дела обстояли не лучше. В какой-то момент Глазеру пришла в голову идея, что подойдет жидкость с небольшим количеством алкоголя, и он нашел общедоступную жидкость, которая соответствовала критериям, – пиво. Единственная проблема заключалась в том, что алкоголь был запрещен на территории университета, поэтому Глазер протащил ящик на кафедру уже после закрытия. Он опустил бутылку в большой стакан с горячим маслом, поставил рядом источник кобальта-60 – мощный гамма-излучатель – и снял крышку в ожидании, будет ли пиво пениться по-другому из-за источника излучения. Глазер пришел к выводу, что на пиво, по-видимому, не влияет источник кобальта, но он забыл принять во внимание еще один аспект своего ночного эксперимента. Горячее пиво вспенилось так быстро, что взлетело в воздух, ударившись о потолок. На следующее утро Глазер оказался в неудобном положении: ему пришлось объяснять, почему вся кафедра провоняла пивом. Заведующий кафедрой, трезвенник, был в ярости.
В конце концов Глазер изучил соответствующие химические таблицы, где наткнулся на жидкость, называемую диэтиловым эфиром, которая обычно используется в качестве анестетика. Глазер создал маленькую стеклянную колбу размером примерно с большой палец и налил в нее диэтиловый эфир. Однажды ночью, примерно в 3 часа, он перегрел эфир, используя горячее масло. Затем он взял источник кобальта-60 и поднес его к колбе. Жидкость взорвалась пузырьками. Он поднес источник снова, и произошло то же самое. Физик быстро дополнил установку камерой с высокой частотой кадров и фотовспышкой, которую позаимствовал у коллег-инженеров, и сумел сделать снимок гамма-лучей, проходящих через крошечный детектор. У него получилось. Глазер изобрел новый тип детектора частиц: пузырьковую камеру.
Глазер понял, что его новое изобретение позволит собирать данные с огромной скоростью. В пузырьковой камере жидкость в 1000 раз плотнее воздуха, поэтому вероятность увидеть, как частица пройдет через камеру, в 1000 раз выше, чем в облачной камере. Он подготовил доклад, готовый представить свою работу на собрании Американского физического общества в Вашингтоне в апреле 1953 года.
Прибыв на конференцию, Глазер был расстроен, узнав, что его выступление запланировано на последний день, когда все пожилые и более признанные физики уже спешат на свои рейсы. Вечером за выпивкой он пожаловался на свое затруднительное положение группе старых физиков, среди которых был Луис Альварес. Альварес признал, что к тому времени он тоже покинул бы конференцию, но ему стало любопытно, над чем работает Глазер. Когда Альварес узнал о пузырьковой камере, он сразу понял значение идеи молодого человека: «Я безуспешно ломал голову в поисках подходящего детектора для Беватрона, который вот-вот запустят. Мне сразу стало ясно, что камера Глазера отлично подойдет».
Альварес позаботился о том, чтобы два члена его команды остались и послушали выступление Глазера. И Альварес, и Глазер знали, что нужно сделать, чтобы пузырьковая камера показала себя как можно лучше в Беватроне. Во-первых, очевидным улучшением было бы заменить диэтиловый эфир жидким водородом: поскольку водород в основном состоит из протонов, это приведет к простым столкновениям высокоэнергетических протонов из Беватрона с протонами водорода. Однако водород чрезвычайно взрывоопасен, а жидкий водород чрезвычайно холодный – около –250 градусов по Цельсию, – поэтому все нужно делать очень осторожно. Вторая задача состояла в том, чтобы увеличить размер детектора и дать высокоэнергетическим протонам достаточно места для взаимодействия в водороде, создания странных частиц и оставления длинных треков, которые можно сфотографировать и проанализировать.
Глазер, уже будучи в Мичигане, знал, что не сможет конкурировать с огромными ресурсами и командами инженеров, которые были в распоряжении Альвареса. Он мечтал о своей идиллической жизни в горах, где сможет использовать пузырьковую камеру с высокоэнергетическими космическими лучами. Теперь он понял, что не так с его мечтой: пузырьковые следы появлялись и исчезали так быстро, что включить камеру в нужное время и сфотографировать взаимодействие частиц практически невозможно. К тому моменту, когда откроется затвор камеры, трек из пузырьков уже исчезнет. Единственный способ результативно использовать пузырьковую камеру – объединить ее с одним из больших ускорителей, где предсказуемое время возникновения частиц дало бы ему шанс обнаружить их взаимодействия.
После всех этих лет активного дистанцирования от работы в крупных лабораториях, казалось, у Глазера не было выбора. Он собрал своих студентов для тяжелого разговора, и в конце концов все они согласились перейти к работе на больших ускорителях. Глазер построил пропановую пузырьковую камеру размером 15 см в поперечнике и купил 12 м трейлер, в который он и его аспиранты погрузили все оборудование и отправились в путешествие по стране. Сначала Глазер хотел использовать свой детектор на Космотроне в Брукхейвене. В первом использованном рулоне пленки было всего 36 снимков. В череде изображений попалось от 30 до 40 примеров редких распадов, которые раньше не получалось запечатлеть при полетах на воздушном шаре и ядерных эмульсиях. Когда ученый вышел из фотолаборатории, вокруг него собралась огромная толпа. Он сказал: «…я не знал точно, что получится, но я знал, что если что-то и получится, то нечто грандиозное».
У пузырьковой камеры гораздо более короткий цикл работы и лучшее разрешение, чем у облачной камеры, что соответствовало быстрому распространению частиц на новых ускорителях. Альварес и его команда отметили потенциал нового детектора и сразу же составили план по созданию большой водородной пузырьковой камеры для Беватрона. Сначала они воссоздали результаты Глазера, затем небольшая группа из механической мастерской помогла со строительством серии водородных пузырьковых камер все большего размера. Стеклянные колбы казались недостаточно прочными, поэтому были сконструированы стальные резервуары со стеклянными окнами, через которые можно было фотографировать пузырьки.
К 1958 году у Альвареса была 38-сантиметровая пузырьковая камера, работающая на базе Беватрона, и вскоре он убедил Глазера переехать в Калифорнию вместе с шестью аспирантами.
Альварес готовился запустить программу по созданию огромной двухметровой камеры с пузырьками жидкого водорода, но даже камеры меньшего размера уже снабдили физиков огромным количеством данных. Вскоре самой большой проблемой стал анализ миллионов полученных фотографий. Пузырьковая камера Глазера, безусловно, решила проблему слишком малого объема данных, но создала новую: для извлечения полезной информации из пленки требовались люди, которые просматривали бы каждое изображение по очереди.
Фотографии были разосланы по всему миру для изучения. У Глазера был специальный портфель со встроенным устройством для просмотра снимков, позволявший ему анализировать треки частиц во время своих многочисленных поездок между Брукхейвеном, Мичиганом, Чикаго и Беркли. Со временем этот анализ превратился в специализированную работу, выполняемую группой обученных «сканеров». Это была почти полностью женская группа, известная как «сканирующие девушки», которые день за днем анализировали следы частиц. Сначала они измеряли длину и дугу интересных треков частиц, записывая данные вручную, шаг за шагом. Команда Альвареса в конечном итоге создала полуавтоматические измерительные машины, которые сканеры использовали для ввода данных на перфокарты и в первые компьютеры.
В результате этого индустриализированного сбора данных получилась не та четкая картина, которая ожидалась, а полная путаница. В 1958 году Альварес обнаружил новую сбивающую с толку частицу, которая была названа Y*(1385) – читается как «Y звездочка тысяча триста восемьдесят пять» – из-за ее массы около 1385 Мэ В. Я говорю «около», потому что ее масса была неопределенной, и в этом ключевая часть ее тайны. По правде говоря, массы всех частиц неопределенны; точность, с которой мы знаем массу, связана с тем, как долго они живут. Внесу ясность: это происходит не из-за ошибок в измерениях, а из-за свойства материи, закрепленного в ключевом принципе квантовой механики, – принципе неопределенности Гейзенберга. Этот принцип подразумевает, что чем короче время жизни частицы, тем меньше мы уверены в ее энергии – и, следовательно, в ее массе. Новая частица Y* Альвареса жила всего около 10–23 секунд, поэтому ее масса составляла всего «около» 1385 Мэ В. То, что обнаружил Альварес, было не просто новой частицей, а самым преходящим физическим явлением в мире природы: даже двигаясь почти со скоростью света, они преодолевают расстояние, не превышающее ширины протона, прежде чем распасться.
Y* (1385) стала первой из совершенно нового типа частиц, резонансных частиц, и за ней последовали многие другие. На момент запуска Беватрона было известно около 30 частиц, но в конечном итоге обнаружено около 200 новых частиц и резонансов – так много, что ученые с лихвой израсходовали буквы греческого алфавита. В то время как экспериментаторы делали открытие за открытием, физики-теоретики затевали свою собственную творческую революцию, чтобы попытаться навести порядок в новых частицах.
Странные частицы указывали путь. В 1956 году физик-теоретик Мюррей Гелл-Манн (и независимо от него Кадзухи-ко Нисидзима в 1953 году) присвоили каждой из странных частиц новую величину, называемую странностью. Идея заключалась в том, что странность сохраняется при сильных взаимодействиях: если при создании двух частиц у одной странность +1, а у другой —1, общая странность сохраняется. Заметив, что странные частицы обычно создаются парами, Гелл-Манн счел идею рабочей. Он также выдвинул причину, по которой странные частицы живут дольше, чем ожидалось: странность, как предсказал физик, не сохраняется при слабых распадах. Когда странные частицы распадаются на не-странные, распад не может происходить за счет сильного взаимодействия (которое должно подчиняться закону сохранения странности) – скорее, должен иметь место более медленный слабый распад. Их распад тормозится самой природой, что объясняет относительно длительное время жизни странных частиц.
К 1961 году Мюррей Гелл-Манн и Юваль Неэман предложили систему классификации, основанную на странности и электрическом заряде, которую часто называют «Восьмеричным путем» – отсылка к Благородному восьмеричному пути в буддизме. Математически обосновывая свою теорию, Геллман и Нееман смогли развести частицы по упорядоченным группам, создав систему классификации. Одним из аспектов классификации было различение спина частицы – квантового числа, описывающего собственный момент импульса частицы, вращающейся вокруг своей оси. Пионы и каоны (все со спином 0) образуют группу из восьми мезонов, в то время как лямбда, протон и нейтрон (со спином 1/2) были отнесены к другому октету из так называемых барионов. Также была выделена другая группа из 10 барионов – декуплет (все со спином 3/2), включающий такие странные частицы, как дельта, сигма и кси, все из которых уже были открыты. Но вот в чем загвоздка: в декуплете должна существовать пока еще ненайденная частица, названная омега-минус. Был только один способ убедиться в правильности системы Гелл-Манна.
К 1964 году Брукхейвен модернизировал Космотрон до нового ускорителя под названием Синхротрон с переменным градиентом (англ. Alternating Gradient Synchrotron – AGS) и установил огромную двухметровую пузырьковую камеру с жидким водородом и 400-тонным магнитом. Команда во главе с Николасом Самиосом приступила к поискам омеги-минус. Ее открытие позже в том же году стало крупным триумфом новой теории. Физики двигались в правильном направлении.
После этого открытия математические основы классификации Гелл-Манна привели его к поистине поразительному предположению: протоны, нейтроны, мезоны (как пионы) и резонансы вовсе не фундаментальные частицы – они сами состоят из более мелких частиц. Гелл-Манн назвал эти фундаментальные составляющие кварками. Он предположил, что существует три типа кварков: «верхние», «нижние» и «странные». Верхние и нижние кварки образуют протон и нейтрон, а странные кварки идут на создание странных частиц – каонов, лямбд и так далее. Резонансные частицы можно понимать как возбужденные состояния кварков, объединенных вместе.
Большая наука промышленного масштаба начала приносить свои плоды. Кажется, без нее мы никак не смогли бы прийти к идее кварков – маленькой команде просто невозможно построить и эксплуатировать такое массивное оборудование. Конечно, такое масштабное расширение сопряжено со своими проблемами: трудно даже выяснить, кто именно был вовлечен в открытие или какова была точная роль каждого отдельного ученого. Сохранилось очень мало записей сканирующих девушек. Аспиранты, покинувшие проект, никак не отображены в истории. В статье об открытии омега-минус обозначены 33 автора, и это не включая разработчиков ускорителей, инженеров, сканеров или теоретиков – даже Гелл-Манна. Поэтому сегодня мы обычно слышим только истории о нескольких физиках-теоретиках, а не о командах экспериментаторов, инженеров и многих других, необходимых для таких открытий, как резонансные частицы и омега-минус.
Глазер, извечный поборник малой науки, был возмущен этим сдвигом в стиле работы. Всего через несколько лет после получения Нобелевской премии в 1960 году за пузырьковую камеру Глазеру так надоела административная работа, связанная с наблюдением за большими командами сканеров и инженеров, что он бросил физику и ушел в нейробиологию, где основал первую биотехнологическую компанию Cetus Corporation. Альварес тем временем получил Нобелевскую премию в 1968 году.
Большая наука, практикуемая в таких лабораториях, как Беркли, объединяет ученых разных типов, что создает возможность проводить амбициозные прикладные исследования наряду с экспериментами, движимыми любопытством. Альварес стал сторонником этого стиля исследований, как и другой ветеран Манхэттенского проекта Роберт «Боб» Ратбун Уилсон. Как и Альварес, Уилсон был одним из бывших циклотронщиков Эрнеста Лоуренса, но после войны он переехал в Гарвард. Уилсон не гордился своей ролью в разработке атомного оружия, комментируя в интервью: «Я всегда надеялся, что мы не добьемся успеха». Уилсон вырос в Вайоминге, в семье бывших квакеров. Еще до войны он слыл пацифистом, но после своего военного опыта он твердо решил внести вклад в применение физики в мирных целях.
В 1946 году Уилсону пришла в голову идея, которая показалась ему настолько очевидной, что он посчитал, что она, должно быть, уже приходила в голову многим другим. Энергии протонных пучков циклотронов теперь достаточно высоки, несколько сотен МэВ, чтобы лучи могли проникать глубоко в ткани человека и оказывать прямое терапевтическое применение, особенно при лечении рака. Когда его предложение дошло до медицинского сообщества, оказалось, что никто на самом деле не думал об этом. Воплощение этой идеи заняло бы много лет, но в конечном итоге она проложила бы путь к созданию совершенно нового лечения рака с использованием высокоэнергетических заряженных частиц – корпускулярной терапии.
Вопрос, на который нужно было ответить Уилсону, заключался в следующем: как высокоэнергетические частицы взаимодействуют с человеческим телом и можно ли их использовать для лечения рака? Наслышанный об успешной истории применения циклотронных изотопов в медицине, он знал, что можно обратиться к брату Эрнеста Лоуренса, Джону.
В 1950-х годах лечение рака с помощью радиации плотно вошло в медицину. Рентгеновские лучи (а иногда и электроны) использовались в лучевой терапии, потому что было хорошо известно, что ионизирующее излучение – излучение с достаточной энергией для вытеснения электронов и образования ионов – может убивать раковые клетки. Цель такого лечения всегда состоит в том, чтобы доставить достаточную дозу излучения к опухоли и уничтожить ее, но как можно меньше воздействовать на здоровую ткань, чего бывает трудно достичь.
Сложность обуславливается непредсказуемостью поведения лучей в материи, и именно поэтому идея Уилсона стала огромным прорывом.
Когда высокоэнергетический фотон или электрон попадает в человеческую ткань, которая примерно на 70 % состоит из воды, он взаимодействует с электронами вокруг атомов и довольно быстро теряет энергию. С точки зрения дозы облучения это означает, что большое ее количество откладывается непосредственно под кожей и меньшее количество уходит вглубь тела. Но когда тяжелая заряженная частица попадает в ткань или воду, крошечных электронов недостаточно, чтобы замедлить ее, поэтому она медленно теряет энергию, лишь немного отклоняясь от своего пути. Протон или другая тяжелая заряженная частица может проникнуть глубоко внутрь тела, поначалу выделяя очень мало энергии, замедлиться и в конечном итоге остановиться, доставив большую часть своей энергии (и, следовательно, урона) к концу своего пути. Если вы построите график зависимости потери энергии протона от глубины его попадания в вещество, он будет следовать кривой, называемой пиком Брэгга.
Уилсон понял, что с точки зрения биологии пик Брэгга тяжелых заряженных частиц гораздо лучше подойдет для лечения опухолей. В зависимости от начальной энергии протонов частицы могут останавливаться на разных глубинах, позволяя врачам точно направлять излучение туда, где оно необходимо. Но физика излучения и материи – это одно, а еще предстояло выяснить воздействие на человека.
Джон Лоуренс и его коллега доктор Роберт Стоун ранее исследовали использование нейтронов в терапии, но их результаты были неубедительными. Идея Уилсона использовать вместо этого заряженные частицы побудила их коллегу Корнелиуса Тобиаса в 1948 году провести биологические эксперименты с использованием циклотрона с энергией 350 МэВ и проверить влияние протонов и дейтронов на клетки. Результаты оказались многообещающими, и в 1952 году воздействию пучков ионов дейтрона и гелия подвергся первый человек. В 1954 году – в тот год, когда был запущен Беватрон, – первый человек подвергся воздействию протонных лучей.
Несмотря на наличие более точного инструмента для доставки излучения вглубь тела, врачи не могли использовать пучки частиц, потому что им пришлось бы действовать вслепую: современные методы визуализации не позволяли им наблюдать происходящее в теле человека, потому что компьютерная томография (глава 1) еще не была изобретена. Одной из мишеней, которую можно было увидеть, был гипофиз, контролирующий высвобождение определенных гормонов. Поэтому первый метод лечения был направлен на остановку выработки гипофизом гормонов, вызывающих рост раковых клеток. Благодаря этому методу самая первая пациентка, женщина с метастатическим раком груди, была успешно вылечена. Прошло еще несколько десятилетий, прежде чем объединение технологий визуализации и применения ускорителей позволило разработать эффективный способ лечения рака, однако этот эпизод положил начало развитию одного из самых сложных медицинских методов.
Сегодня более 100 центров по всему миру предлагают терапию частицами – с использованием либо протонов, либо тяжелых ионов (обычно ионов углерода). Всего 10 лет назад было 22 центра, и их число продолжает расти в геометрической прогрессии. Терапия частицами особенно хорошо подходит для лечения глубоких и труднодоступных опухолей, тяжелых детских случаев или опухолей вблизи важных органов. В 2016 году в Великобритании одна семья попала на первые полосы газет после того, что проехала через всю Европу, вопреки советам врачей, ради лечения своего ребенка в Праге с помощью протонной терапии, в то время как первый в Великобритании протонный терапевтический центр еще только строился.
Центры тщательно спроектированы таким образом, что пациенты едва ли знают о том, что поблизости находится ускоритель частиц. В Институте Пола Шеррера в Швейцарии процедурные кабинеты расположены в коридорах, отделанных деревянными панелями, с подсвеченными бумажными экранами в японском стиле, создающими ощущение, что дневной свет находится прямо за стеной. Экраны маскируют бетонную радиационную защиту метровой толщины. Во время лечения пациент лежит на кровати из углеродного волокна, установленной на роботизированной системе позиционирования, в центре небольшой комнаты. Если бы не большая белая металлическая насадка, торчащая из потолка, можно было бы ожидать, что хирург появится в любую минуту. Но в этом учреждении не требуются хирурги-люди.
Любопытным пациентам (или физикам) разрешена экскурсия за кулисы. Прочные на вид стены процедурного кабинета скрывают похожее на пещеру пространство, заполненное большим оборудованием, звуками вакуумных насосов и жужжанием источников питания. В задней части пещеры металлическая вакуумная трубка выходит через отверстие в бетонной защите, пропуская протоны из ближайшего ускорителя. Протонный луч проходит через ряд магнитов, которые поднимаются над палатой пациента. Наконец, он изгибается с помощью 200-тонного магнита, который направляет луч туда, где он необходим. Да, один из магнитов почти в два раза тяжелее синего кита. И да, он часто находится прямо над пациентом.
Вся конструкция, называемая гантри, движется: она вращается вокруг пациента, направляя луч под любым углом, пока пациент лежит на кровати, не в состоянии ощутить или почувствовать пучок частиц, взаимодействующий с его телом. Для протонной терапии циклотрон диаметром в несколько метров – лишь небольшая часть системы. Для более тяжелых частиц требуются синхротроны диаметром около 20 метров.
Те же ученые, которые разрабатывают ускорители частиц для физики элементарных частиц, разрабатывают синхротроны (и некоторые циклотроны) для терапии частицами в больницах. Совместное развитие терапии рака и физики элементарных частиц стало возможным благодаря междисциплинарному сотрудничеству. Все так и задумывалось: Лоуренс (который умер в 1958 году) и его преемники намеревались создать среду, в которой знания могли бы легко пересекать границы дисциплин. Этот новый масштабный командный подход к науке одновременно произвел революцию в нашем понимании частиц и катализировал их пользу для общества.
Сейчас мы стремимся сделать эту технологию еще более компактной, дешевой и точной. Терапия частицами дает физикам совершенно новую мотивацию адаптировать и изобретать новые ускорительные технологии. Это всего лишь одно из многих удивительных практических применений физики, которые появились в результате перехода этой области к масштабным совместным экспериментам.
Этот переход произошел не только в Соединенных Штатах, но и во всем мире. По мере восстановления после Второй мировой войны в Европе французский физик Луи де Бройль предложил европейским ученым объединиться и создать многонациональную лабораторию. Это было необходимо, если они хотели продолжить исследования в области физики высоких энергий. Оглядываясь на крупные проекты, планируемые и реализуемые в Соединенных Штатах, они знали, что единственный способ остаться в игре – это объединить ресурсы. После лоббирования правительств в течение ряда лет двенадцать стран Западной Европы ратифицировали создание в 1954 году новой лаборатории, Европейского совета по ядерным исследованиям (ЦЕРН), недалеко от Женевы. В нем приняли участие исследователи из стран, которые всего несколько лет назад находились в состоянии войны, включая Бельгию, Данию, Францию, Германию, Грецию, Италию, Нидерланды, Норвегию, Швецию, Швейцарию, Соединенное Королевство и Югославию. Управляемый рядом советов, в которых есть представители каждой страны-участницы, ЦЕРН создал уникальную структуру для принятия решений и продвижения крупных научных проектов, поощряя страны к совместной работе для достижения общих целей. В отличие от многих лабораторий США, в конвенции ЦЕРН записано, что лаборатория «не должна проводить работу в военных целях, а результаты ее экспериментальных и теоретических работ должны публиковаться или иным образом становиться общедоступными». Задачей ЦЕРН была и остается наука во имя мира.
Тем временем научный потенциал Японии был разрушен не только из-за бедности, вызванной войной, но и из-за действий американских военных в 1945 году. Опасаясь, что циклотроны могут быть использованы для создания ядерного оружия, солдаты оккупационной армии США разбили четыре больших японских циклотрона и сбросили их в Токийскую гавань. Конец этому положил Сан-Францисский мирный договор, вступивший в силу в 1952 году, который восстановил мир между Японией и частью стран антигитлеровской коалиции и даже позволил японцам задуматься о создании новых машин. Сегодня в Японии проводятся исследования мирового уровня не только в области физики элементарных частиц, но и в области терапии частицами.
Для физиков 1960-х годов применение их работ в биологии все еще оставалось побочным проектом, полная реализация которого была далеко в будущем. С новой системой классификации элементарных частиц они наконец пришли к пониманию материи и сил на более фундаментальном уровне. Не все новые частицы были элементарными, некоторые из них имели составляющие, называемые кварками, но сами кварки до сих пор не наблюдались. Все частицы, содержащие кварки, взаимодействуют через сильное ядерное взаимодействие, но физики на данный момент все еще не разгадали тайну того, как работает слабое ядерное взаимодействие. Они знали только, что эта четвертая сила ответственна за бета-распад. И именно бета-распад ведет нас к нашему следующему приключению.
