Глава 10
Линейные ускорители: открытие кварков
Вдоль южного побережья Британии в море смотрит ряд гигантских бетонных тарелок, самая большая из которых представляет собой 60-метровую изогнутую стену. Издалека они выглядят как спутниковое или радиооборудование, но время этих технологий тогда еще не пришло. Построенные между 1915 и 1930 годами, эти тщательно продуманные сооружения представляют собой звуковые зеркала, обеспечивающие систему раннего предупреждения о приближении вражеских самолетов к берегу. Идея по своей сути оригинальная: использовать большие параболические тарелки для отражения звуковых волн в фокальную точку, где оператор прислушивается к шуму пропеллера самолета. Однако устройство оказалось довольно неэффективным, и вскоре на смену ему пришла новая техника.
К концу 1920-х годов радиопередатчики и приемники начали широко использоваться, а в 1935 году британский физик Роберт Уотсон-Уотт изобрел систему, которая могла отражать коротковолновые радиосигналы от удаленных движущихся объектов, например кораблей или самолетов, и обнаруживать отраженные волны с помощью антенны, чтобы затем точно определить местоположение объекта. Физик назвал систему «Радиообнаружение и определение дальности», или радар (акроним от английского radio detection and ranging). К 1939 году, когда разразилась Вторая мировая война, вдоль южного и восточного побережий Британии была установлена вереница радиолокационных станций.
Радар значительно превосходил звуковые зеркала, но для полного раскрытия своего потенциала система нуждалась в трех ключевых улучшениях. Во-первых, радар должен работать на еще более короткой длине волны, чтобы иметь возможность обнаруживать небольшие объекты, такие как немецкие подводные лодки, которые регулярно атаковали и топили корабли. В принципе их можно было бы обнаружить высокочастотным радаром, если бы они всплыли. Во-вторых, система также нуждалась в гораздо более мощных радиопередатчиках, чем те, которые были доступны в то время, для покрытия более отдаленных областей. И в-третьих, требовалась радиолокационная система, которую можно было бы установить на истребителях, то есть намного меньше и легче существующих систем. Стремление улучшить радар во время войны привело к огромным достижениям в развитии технологий, от телекоммуникаций до лечения рака. В то же время физики усовершенствовали эти достижения в области радиолокационных технологий, чтобы совершить одно из самых непростых открытий в истории – обнаружить кварки.
На калифорнийском побережье выпускник факультета физики Стэнфордского университета Рассел Вариан и его младший брат, пилот Сигурд Вариан, жили в социал-теософском обществе под названием «Халцион», где работали над собственными идеями в области радиолокационной технологии. Они пытались создать лабораторию в обществе, но работать в изоляции было довольно трудно. В 1937 году братья решили, что им стоит более тесно сотрудничать с Биллом Хансеном, с которым Рассел делил комнату в аспирантуре. Хансен отлично разбирался в радиоволнах. Вместе они заключили сделку с университетом, согласно которой молодые ученые не будут получать никакой зарплаты, но им будет выделяться бюджет в 100 долларов, а сам университет получит половину прибыли от всего, что будет запатентовано в ходе данного предприятия.
Хансен вырос в Калифорнии и с самого раннего возраста интересовался механическими и электрическими игрушками. Выдающийся ученик, особенно в математике, он окончил среднюю школу в четырнадцать лет и два года спустя поступил в Стэнфорд, где сначала изучал инженерное дело, а затем – экспериментальную физику. В аспирантуре Хансен работал над атомной физикой, где и познакомился с коллегой-аспирантом Расселом Варианом. Самого Рассела часто недооценивали из-за его дислексии. К этому времени интерес Хансена заключался не только в генерации радиоволн: он хотел создать ускоритель частиц для электронов.
Хансену пришла в голову идея сконструировать металлическую полость нужных размеров таким образом, чтобы внутри нее могли резонировать электромагнитные волны. Тогда он мог бы послать пучок электронов и использовать электромагнитные волны, колеблющиеся внутри, для ускорения луча. Он назвал свое устройство румбатроном из-за того, как отражались волны. Однако Хансен столкнулся с той же проблемой, что и первооткрыватели радара: ему нужен был источник радиочастотной энергии с длиной волны короче, чем у любого существующего источника.
Хансену и братьям Вариан потребовалось 12 месяцев, чтобы изобрести устройство под названием клистрон. Внутри цилиндрического устройства размером с консервную банку радиосигнал малой мощности подавался на электронный луч, который проходил через ряд полостей, как и предполагал Хансен. Устройство не ускоряло электроны – вместо этого благодаря комбинации резонатора и проходящих электронов создавался резонанс и испускались электромагнитные волны. Результатом было то, что небольшой входной сигнал усиливался энергией электронного пучка, создавая мощные микроволны в диапазоне частот ГГц. Слово «микроволна» не означает, что длина волны крошечная: на самом деле длина волны составляет около 10 см, что примерно в 200 тысяч раз больше, чем видимый свет, который могут воспринимать наши глаза. Это название было принято потому, что производимые волны были короче привычных радиоволн. Эта коротковолновость означала, что клистрон сам по себе маленький и легкий: он весил всего несколько килограммов.
Клистрон еще не был достаточно мощным, чтобы его можно было использовать для радиолокации, но все же это был огромный шаг вперед – первое устройство, работающее в микроволновом диапазоне, к тому же эффективно и стабильно. По крайней мере, Хансену и братьям Вариан казалось, что это первое устройство такого рода, поскольку они не знали о схожем изобретении в Великобритании.
12 сентября 1940 года сверхсекретная делегация из шести человек, в том числе Джон Кокрофт, прибыла в Вашингтон с тем, что американские историки назвали «самым ценным грузом, когда-либо доставленным к нашим берегам». Они несли жестяной сундук, в котором находилось небольшое медное устройство, а также ряд документов, описывающих ряд других британских изобретений. Соединенные Штаты на тот момент все еще были нейтральной территорией, и план состоял в том, что Великобритания просто передаст эти секреты в обмен на ресурсы для разработки и производства.
Медное устройство внутри сундука было изготовлено физиками Джоном Рэндаллом и Гарри Бутом в Бирмингемском университете в 1939 году. Их изобретение, резонансный магнетрон, представляет собой цилиндрический медный блок с большим центральным отверстием, окруженным другими, более маленькими отверстиями, как лепестками цветка. Электроны циркулируют внутри центрального отверстия устройства под воздействием магнита, и когда они проходят мимо «лепестков» или резонаторов, то создают резонанс, который производит электромагнитные волны. Чем меньше устройство, тем более высокочастотные волны оно создает: это устройство работало на частоте 3 ГГц, что очень похоже на частоту клистрона.
И магнетрон, и клистрон могли генерировать высокочастотные импульсы с гораздо меньшей длиной волны, чем существующие радиолокационные системы, что позволило бы радару обнаруживать объекты меньшего размера и использовать более маленькие антенны. Оба устройства были компактными и легкими. Что отличало магнетрон от других, так это то, что он мог генерировать импульсы беспрецедентной мощности и мог использоваться для определения местоположения самолетов на расстоянии многих километров.
Британцы признали перспективность резонансного магнетрона, поэтому держали устройство в секрете, но им не хватало мощностей для разработки технологии в больших масштабах. Связи с усилением немецких бомбардировок было решено поделиться сверхсекретной технологией с США в обмен на помощь. США поначалу неохотно вступили в переговоры, но в конечном итоге поделились собственными разработками прототипов радаров, которые, по их признанию, зашли в тупик. Им требовалось большая мощность передатчика. Когда Джон Кокрофт и его коллеги раскрыли тайну резонансного магнетрона, решение было найдено: его выходная мощность в тысячу раз превышала мощность клистрона. В результате правительство США профинансировало тайное создание Радиационной лаборатории физиками из Массачусетского технологического института, где были собраны воедино множество теорий и компонентов, необходимых для работы высокочастотного радара, – и все это с использованием магнетронной технологии. В то время единственными людьми, имевшими опыт в области высокочастотных технологий, были физики ускорителей, и вскоре они принялись за работу, доводя магнетроны до все большей и большей выходной мощности. Билл Хансен регулярно посещал Массачусетский технологический институт для обучения физиков. На пике развития Радиационной лаборатории в ней работало 4000 человек, и именно там была разработана половина всех радиолокационных систем, использовавшихся во время войны.
Компании начали производить магнетроны в больших масштабах, и Массачусетский технологический институт выбрал местную электронную компанию Raytheon для помощи в разработке. Вскоре такие крупные игроки, как General Electric и Westinghouse, тоже начали производить магнетроны, наряду с более мелкими компаниями вроде Litton Industries, занимавшейся производством вакуумных ламп где-то на промышленных задворках Сан-Франциско, которая помогла братьям Вариан построить первые клистроны.
К 1945 году одна из этих компаний, Raytheon, производила 17 магнетронов в день для Министерства обороны. Однажды один из инженеров, Перси Спенсер, заметил, что, когда он стоял перед магнетроном, у него в кармане растаяла плитка шоколада. Он решил попробовать использовать магнетрон для приготовления пищи, сначала попкорна, который имел оглушительный успех, а затем других продуктов, которые, как он обнаружил, быстро нагревались в металлическом контейнере. Raytheon получила патент на первую микроволновую печь, и ее первая коммерческая версия, Radarange, была примерно 243 см высотой и стоила 5000 долларов. Со временем более компактные и дешевые микроволновые печи, работающие на магнетронах, стали повседневной бытовой техникой, которую мы используем и по сей день. Довольно неожиданный спин-офф радара, но далеко не единственный.
Статья в журнале Saturday Evening Post от 8 февраля 1942 года возликовала: «Клистронный луч еще удивительнее, чем мечтали его изобретатели». В статье говорилось об инженерах по телефонной связи, использующих волны от клистронов для одновременной передачи 600 тысяч разговоров по всей стране, и инженерах по телекоммуникациям, делающих то же самое с изображениями. Их военное применение заключалось не только в обнаружении вражеских самолетов или кораблей: «Направленный вниз с авиалайнера клистронный луч сообщает пилоту, как высоко он летит над землей. Направленный вперед, он вовремя предупреждает пилота о приближающихся горах, чтобы тот мог изменить курс полета».
Клистрон был лицензирован компанией Sperry Gyroscope для коммерческого и военного применения, включая радар, и Рассел и Сигурд Вариан временно переехали на Лонг-Айленд, чтобы работать над этими засекреченными проектами. К 1948 году братья Вариан осознали коммерческий потенциал телевизионного вещания и телекоммуникаций, поэтому они покинули Sperry Gyroscope и вернулись в Калифорнию, где основали компанию Varian Associates, производящую клистроны для этих быстро развивающихся рынков.
Главным пользователем магнетронов были британские военные, и в 1953 году был написан отчет, в котором оценивалось качество различных производителей магнетронов в Европе и США. К удивлению GE, Raytheon и Westinghouse, на первом месте оказалась компания Litton Industries. Как, спрашивали себя крупные компании, удалось этой маленькой фирме превзойти их? Litton смогли начать производить магнетроны для радиолокационных систем, потому что у них было ноу-хау в производстве вакуумных ламп, но это никак не отличало их от прочих компаний. Чем обусловлено их преимущество? Все объяснилось их связью с Биллом Хансеном, клистроном и его стремлением создавать ускорители частиц.
Стэнфордская группа не смогла бы построить первые клистроны без сотрудничества с Litton Industries. Компания поставляла компоненты стэнфордской группе и обсуждала их производственные процессы. Именно из этого опыта компания узнала, например, о важности высокого вакуума для создания стабильных устройств высокой мощности. Они знали, как обеспечить контроль качества, чтобы их устройства поддерживали высокий вакуум и чтобы все компоненты оставались чистыми во время производства. Именно этот коммерческий секрет привел их к успеху в создании магнетронов.
Под руководством компаний Litton и Varian в Стэнфордском индустриальном парке начали появляться другие высокотехнологичные компании. Varian и их местные конкуренты привлекли внимание людей, желающих работать в высококвалифицированных технических областях. В течение 10 лет после основания Varian Associates заняла несколько крупных зданий, в которых работало более 1300 человек, с годовым объемом продаж в 20 млн долл. В этот район продолжали прибывать тысячи людей, желающих работать в развивающихся компаниях, производящих микроволновые устройства и вакуумные лампы, или попытать счастья, открыв собственный бизнес по продаже специализированных материалов, высокоточной обработке и предоставлению других услуг. То, что когда-то было захолустьем, стало самым известным технологическим центром в мире – Кремниевой долиной.
Развитие Кремниевой долины и ее роль в совершенствовании технологий – это сложная история, однако именно эти компании создали ту промышленную инфраструктуру, которая сделала это развитие возможным. Именно эта концентрация высокотехнологичных навыков подготовила благодатную почву, на которой выросла полупроводниковая промышленность в конце 1950-х и 1960-х годах. А совсем неподалеку, в Стэнфордском университете, это также позволило совершить одно из крупнейших открытий века в физике.
Как и у многих физиков, работа Хансена была прервана войной, и его мечта о создании ускорителя частиц для физических исследований была отложена. После войны проекты мощных магнетронов и клистронов были рассекречены, и внезапно физики ускорителей по всему миру получили промышленную и недорогую технологию, позволяющую вывести ускорители частиц на новый уровень. Хансен вернулся к своей первоначальной идее: создать ускоритель электронов. Но теперь магнетроны и клистроны – радиочастотные источники питания – могли подавать энергию в ускорители нового типа. Наконец идея Видероэ, сформулированная еще в 1920-х годах, – линейный ускоритель – могла полностью реализоваться.
Вместо подачи высокого напряжения, как во времена Кокрофта и Уолтона, Хансен планировал пропускать частицы через радиочастотные резонаторы, чтобы они получали энергию. Он спроектировал систему в виде серии точно обработанных медных резонаторов с отверстием для прохождения луча – ускоряющих резонаторов. Чтобы генерировать электромагнитные волны, они должны были питаться от клистрона, который был выбран отчасти потому, что создатель системы участвовал в его изобретении. Внутри ускоряющих резонаторов эти волны должны были колебаться таким образом, чтобы электрическое поле давало толчок вперед, заставляя частицы двигаться быстрее. Ученый знал, что если бы он мог перепроектировать клистрон так, чтобы он выдавал достаточно высокую радиочастотную мощность, то толчок вперед и энергия, которую частица получит при прохождении через ускоряющие резонаторы, были бы существенными. Линейные ускорители электронов теперь потенциально могут быть компактными и эффективными благодаря новым радиочастотным источникам питания.
Хансен собрал команду в Стэнфорде, включая Эда Гинзтона и Марвина Чодороу, и к 1947 году они построили свой первый ускоритель на 6 Мэ В. В отчете финансирующему органу было всего три слова: «Мы ускорили электроны». Линейный ускоритель, или LINAC (акроним от англ. LINear ACcelerator), был намного меньше и легче существующих ускорителей. Незадолго до этого команда под руководством Луиса Альвареса из Беркли построила низкочастотный протонный ускоритель и с гордостью сфотографировала свою команду: на фото около 30 человек сидели бок о бок на своей (сравнительно огромной) машине. Когда Хансен узнал об этой фотографии, он схватил трех своих аспирантов и встал рядом с ними, с новым высокочастотным ускорителем электронов в одной руке. Длина ускорителя составляла менее двух метров: маленький, легкий, эффективный, почти образ будущего. Исследования Хансена и других ученых включали двусторонний поток инноваций: физики изобрели новые устройства – магнетрон и клистрон, которые нашли крупномасштабное применение в радарах, а затем индустриализация этих устройств помогла физикам реализовать собственные экспериментальные амбиции.
Хансен мечтал о гораздо более крупной машине: ускорителе электронов на миллиард вольт, который можно было бы использовать для исследования сил в ядре. В то же время планировались Космотрон и Беватрон – стремление строить большие ускорители достигло апогея. Хансен нанял около 30 аспирантов и 35 техников для работы над новым устройством. Они построили серию прототипов, начиная с их оригинального Mark I на 6 МэВ, а затем Mark II на 33 МэВ в 1949 году. Но, к сожалению, Хансен так и не увидел завершения своего проекта, потому что ему становилось все хуже из-за хронического заболевания легких. Он скончался в 1949 году, как раз перед началом эксплуатации Mark II. Это стало шоком для всех, в том числе и для его команды. Гинзтон говорил: «Было непонятно, как можно достроить машину на миллиард вольт без него».
Все эти инновации произошли до того, как теоретические разработки 1950-х годов дали физикам более глубокое понимание взаимодействий между частицами и фундаментальными силами. В главе 8 мы видели, как создавались большие лаборатории для создания огромных протонных синхротронов для изучения пионов и странных частиц. Примерно в тот период разрабатывалась новая технология LINAC для электронов, которая поначалу, казалось, имела мало общего с пониманием сильного взаимодействия и новых частиц. Но со временем все изменилось.
Как только Мюррей Гелл-Манн упорядочил длинный список частиц «Восьмеричным способом», стало ясно, что странные частицы гораздо больше похожи на протоны и нейтроны, чем на электроны или фотоны. Чтобы по-настоящему понять странные частицы, необходимо было понять сильное ядерное взаимодействие. Помочь с этим могли большие протонные синхротроны, но проблема данного подхода в том, что сильное взаимодействие свойственно и протонам, что делает практически невозможным изоляцию сильного взаимодействия странных частиц от сильного взаимодействия протонов.
Это был ключевой момент обсуждения 20 или около того физиков и инженеров из Стэнфорда, которых пригласили в дом немецко-американского физика В. К. «Пифа» Панофски в Лос-Альтос-Хиллз 10 апреля 1956. Когда они прибыли, им сказали, что все они могут стать волонтерами в новом неназванном проекте, который не имел финансирования. Перспектива несанкционированного эксперимента возбудила их любопытство, поэтому они остались. Идея исследования свойств сильного взаимодействия в протонах и нейтронах с помощью электронов появилась именно потому, что электроны взаимодействуют через электромагнитную силу, а не через сильное ядерное взаимодействие: они могли бы использовать электроны в качестве зонда, чтобы лучше понять сильное взаимодействие.
Помогло то, что электроны уже были хорошо изучены. В 1950х годах Ричард Фейнман, среди прочих, создал теоретическую основу квантовой электродинамики, или КЭД, – способ расчета взаимодействий частиц, основанный на наборе правил, которые сделали вычисления удобными. Этот метод работал для фотонов, электронов и мюонов, их соответствующих античастиц и даже для нейтрино. Однако он не применялся ни к странным частицам, ни к протонам и нейтронам. Физики предположили, что если бы они создали ускоритель электронов и бомбардировали материалы, богатые протонами и нейтронами, то могли бы отделить данные о взаимодействиях, которые они могли рассчитать (используя КЭД), от тех, которые не могли. Таким образом, они, возможно, смогли бы выделить сильные взаимодействия, которые их интересовали. Они подсчитали энергию, которая потребуется, и получилось число, в 20 раз превышающее мечту Хансена об 1 ГэВ. Существовала только одна технология, которая могла производить нужный луч, и над ней уже работали: LINAC.
В LINAC луч не изгибается, поэтому электроны не теряют энергию из-за синхротронного излучения (см. главу 7). Для получения достаточных данных требовалось как можно больше электронов, и LINAC сделал возможными такие интенсивные пучки, потому что не было необходимости ждать ускорения одной партии частиц до запуска новой: в машине мог идти непрерывный поток частиц, ускоренных по прямой линии. Для этого нужны мощные радиочастотные источники – клистроны, но при достаточно длинном ускорителе все могло сработать. К счастью, технология продолжала развиваться со времен первой версии Хансена на 6 Мэ В. Команда достигла 400 МэВ в 1953 году, и к тому времени, когда на совещании в Лос-Альтосе была предложена цель в 20 ГэВ, ускоритель Mark III приближался к первоначальной цели в 1 Гэ В.
Конечно, такому амбициозному новому проекту требовалось название, а учитывая чудовищные размеры ускорителя – его длина составляла около двух миль, – ученые приняли название «Проект М». Технически буква М ничего не означала, но между собой физики расшифровывали ее как «монстр», что соответствовало масштабу проекта. На серии еженедельных встреч в течение следующего года они обсуждали идеи для линейного ускорителя мощностью 20 ГэВ, который будет расположен в кампусе Стэнфорда в Менло-Парке. Команда описала свою задумку в 100-страничном документе и направила запрос на сумму 114 млн долл. трем различным федеральным агентствам.
Эд Гинзтон, давний коллега Хансена и один из основателей компании Varian, руководил разработкой дизайна. В течение пяти лет команда преодолевала ряд сложных политических препятствий, пока им наконец не выделили деньги в 1961 году. Центр Стэнфордского линейного ускорителя, известный как SLAC (от англ. Stanford Linear Accelerator Centre), наконец-то начал работу. Стэнфордский университет сохранил за собой руководство проектом, открыв при этом доступ ученым из любой точки мира. Университет пожертвовал землю, а Министерство энергетики взяло на себя оплату счетов. Теперь все сошлось воедино: продукт правильных людей, правильных технологий и правильного местоположения – и все это объединялось вокруг общей цели.
С момента публикации проекта в 1957 году до включения луча в 1966 году были сделаны дальнейшие теоретические разработки, которые помогли создать мощную движущую силу экспериментальной программы SLAC. В 1964 году «Восьмеричный путь» был усовершенствован в более сложную кварковую модель, предложенную независимо Гелл-Манном и Цвейгом. Протоны, нейтроны, пионы, каоны и другие тяжелые частицы вовсе не были фундаментальными частицами, а состояли из трех типов кварков: верхнего, нижнего и странного, каждый из которых имел определенный спин и электрический заряд. Но в теории был один чрезвычайно тревожный результат: предполагалось, что у кварков не целый, а дробный электрический заряд.
В природе никогда не встречалось ничего подобного. Как у этих новых частиц может быть электрический заряд +2/3 или –1/3? Даже Гелл-Манн не был уверен, действительно ли кварки существуют или это просто изящный математический прием, который случайно сработал. Если эти странные «нецелые» кварки – строительные блоки атомов и если, в свою очередь, кварки действительно составляют протоны и нейтроны в ядре, должна быть возможность их создать и измерить их свойства. Поиск кварков стал следующей большой экспериментальной задачей.
Экспериментаторы ЦЕРНа быстро поняли, что частицы с зарядом 1/3 и 2/3 должны оставлять характерные треки в пузырьковой камере – следы, которые могли пропустить в более ранних экспериментах. Две группы просмотрели 100 тысяч фотографий пузырьковой камеры из предыдущих экспериментов, но не нашли свидетельств дробно заряженных частиц. Ученые попытались найти кварки, используя протонный синхротрон и пузырьковую камеру, но ничего не добились. Кварки либо имели массу, превышающую ту, которую они могли создать, либо их не существовало. Либо происходило нечто иное.
Лаборатории с большими ускорителями протонов, похоже, не могли освободить кварки путем расщепления протона или нейтрона на части. Нужно придумать другой способ определить, существуют ли они. Но как это сделать? Так уж получилось, что новое оборудование в SLAC как раз обеспечивало необходимые условия для такой работы.
Ускоритель на 20 ГэВ появился на свет в 1966 году, задействовав несколько тысяч человек из Стэнфорда и других стран и компаний, а поиск кварков стал приоритетом номер один. Тогда же родилось сотрудничество SLAC с Массачусетским технологическим институтом, в котором участвовали, в частности, Генри Кендалл, Ричард Тейлор и Джером Фридман. Сторону SLAC возглавляли Кендалл и Тейлор. Кендалл, любитель активного отдыха, – физик родом из Бостона, а Тейлор, известный своим остроумием и юмором, – из канадской провинции Альберта. Фридман, художественно одаренный сын еврейских русских иммигрантов, представляющий Массачусетский технологический институт, был родом из Чикаго. Фридман ездил на работу в Калифорнию, где встречался с Кендаллом и Тейлором.
Замышляемый ими эксперимент напоминал тот, который мы уже видели, когда Гейгер и Марсден отражали альфа-частицы от золотой фольги, выясняя, есть ли у атома ядро. Чтобы узнать, есть ли у протонов и нейтронов подструктура, охотники за кварками конца 1960-х годов решили использовать почти такой же метод. Электроны с энергией 20 ГэВ могли проникнуть глубоко внутрь протонов и нейтронов. Если внутри есть какие-либо кварки, электроны разлетятся в результате столкновения, а их углы и энергии можно будет использовать для восстановления того, с чем они взаимодействовали.
Если вы сегодня поедете по межштатной автомагистрали 280, на полпути между Сан-Франциско и Сан-Хосе вы проедете прямо по двухмильному ускорителю. Когда его строили, туннель, в котором находится ускоритель, считался самым длинным зданием в Соединенных Штатах. Внутри располагается клистронная галерея, полная мощных радиочастотных устройств, изобретенных Хансеном и братьями Вариан. Генерируемая ими энергия передается на несколько метров под землей в точно обработанные медные резонаторы, из которых состоит линейный ускоритель электронов. Внутри электроны разгоняются на волнах, пока не достигнут 20 ГэВ, двигаясь со скоростью 99,9999999 % от скорости света.
Когда в конце 1960-х годов все было готово, в конце ускорителя электронные пучки изгибались и направлялись по трем линиям в два экспериментальных зала, где они попадали – или, точнее, рассеивались – в мишень, сделанную из жидкого водорода, богатого протонами. Затем рассеянные электроны проходили через устройство, называемое магнитным спектрометром, которое измеряло энергию электронов, изгибая их в магнитном поле. Спектрометр был самым большим научным прибором своего времени, длиной 50 метров и весом 3000 тонн. При этом он был подвижен и установлен так, чтобы поворачиваться вокруг цели и проводить измерения под разными углами.
В 1967 году Кендалл, Тейлор и Фридман начали проводить эксперименты с большим спектрометром и двумя поменьше. Что они ожидали увидеть? Несмотря на амбиции найти кварки, большинство физиков все же считали, что их не существует и что протон и нейтрон имеют своего рода мягкую внутреннюю структуру. Ожидалось, что меньше электронов будет рассеиваться по мере увеличения угла наклона спектрометра. Любое отклонение от этого может указывать на наличие кварков – или чего-то еще – внутри. В ходе эксперимента были собраны данные для создания распределения вероятностей, и команда принялась внимательно изучать результаты и их интерпретировать.
Ожидания и результаты эксперимента расходились невероятным образом. Сначала было не совсем ясно, что результаты свидетельствуют о наличии кварков, но, похоже, они правда свидетельствовали о какой-то структуре внутри протона. Теоретики, включая Ричарда Фейнмана и Джеймса Бьёркена, для описания найденных сущностей придумали название «партоны». Во многом все происходящее напоминало эксперимент с золотой фольгой, только на этот раз физики проникли еще глубже в сердце материи: протоны не были фундаментальными частицами, и результаты, казалось, доказывали, что партоны – предположительно, тип частиц – были похожи на точки, точечноподобны. Что значит «точечноподобна» в отношении частицы? Так же, как и в случае с электроном, это означает, что частица настолько мала, что ее невозможно измерить. Как позже вспоминал Джером Фридман, «это была очень странная точка зрения. Она настолько отличалась от того, что предполагалось в то время, что мы не хотели обсуждать результаты публично».
В течение следующих нескольких лет Фридман, Кендалл и Тейлор продолжали собирать данные под разными углами спектрометра и провели второй раунд экспериментов с использованием жидкой дейтериевой мишени для сбора сравнительных данных для нейтрона. Имея достаточно доказательств, они могли быть уверенными в своих результатах: партоны действительно были кварками, точечноподобными объектами, образующими структуру протонов и нейтронов. Теперь мы можем сказать, что протон состоит из трех кварков, двух верхних и одного нижнего, а нейтрон – из одного верхнего и двух нижних. Последним кусочком головоломки было подтверждение идеи о том, что кварки обладают дробными электрическими зарядами. Сравнили рассеяние электронов с аналогичными данными из ЦЕРНа, где использовали (электрически нейтральные) нейтрино, которые дали физикам информацию об электрических зарядах, участвующих во взаимодействии. У кварков правда дробные заряды.
Дальнейший анализ данных выявил еще более необычную информацию о протонах и нейтронах, чем тот факт, что внутри них были кварки. Каждый протон или нейтрон состоит примерно из равных частей кварков и нейтральных глюонов – безмассовых частиц и переносчиков сильной взимодействия, которые «склеивают» кварки вместе, – это во многом похоже на то, как фотон переносит электромагнитную силу. Три основных кварка в протоне и нейтроне называются валентными кварками. Вокруг них – «море» кварк-антикварковых пар, которое также обнаружилось в данных, полученных в результате рассеяния при низких энергиях. Протон и нейтрон следует рассматривать полностью с точки зрения как массы, так и взаимодействий, включая как морские кварки – верхние, нижние и странные пары «кварк – антикварк», – так и валентные кварки.
В 1970-х годах физики начали понимать необычные свойства сильного взаимодействия, которое связывает кварки вместе. Оно относительно слабо на коротких расстояниях, но чрезвычайно сильно на больших, словно эластичная лента, удерживающая кварки вместе. Когда кварки находятся рядом друг с другом, они могут двигаться с относительной свободой, но стоит их разлучить, как против вас восстанет свойство, называемое конфайнментом (удержанием). Оно удерживает кварки внутри протона и нейтрона до такой степени, что если вы попытаетесь разделить их, то вложенная вами энергия просто создаст новую пару «кварк – антикварк». Странным результатом этого становится то, что мы попросту не можем наблюдать кварки поодиночке. Вот почему Кендалл, Тейлор и Фридман добились успеха там, где другие не смогли: они нашли способ наблюдать кварки в их замкнутом состоянии внутри протонов и нейтронов.
Сильное взаимодействие также отвечает за удержание нейтронов и протонов внутри атомного ядра, причем неявным образом. На больших расстояниях его часто называют остаточным сильным взаимодействием. Подробное описание того, как именно взаимодействуют кварки, изложено в теории, называемой квантовой хромодинамикой, или КХД, которая помогает понять, как удерживается атомное ядро.
Согласно КХД, кварки несут заряд (аналогичный электрическому заряду), называемый цветовым зарядом. Всего их три типа: красный, зеленый и синий, хотя они не имеют никакого отношения к привычному пониманию цвета. Цветовой заряд антикварков, соответственно, антикрасный, антизеленый и антисиний. И когда кварки объединяются в частицы, наложение их цветов делает частицу «бесцветной». Синий, красный и зеленый в сочетании бесцветны, поэтому, если кварки внутри протона синие, красные и зеленые, эта частица, следовательно, «разрешена». Пион состоит из кварка и либо верхнего, либо нижнего антикварка, в синем и антисинем, красном и антикрасном или зеленом и антизеленом сочетании.
Протоны и нейтроны внутри ядра в целом бесцветны, но кварки внутри них оставляют небольшой остаточный эффект сильного взаимодействия, которое каким-то чудесным образом удерживает их вместе. Все это кажется незначительной деталью, но на самом деле не так тривиально: без остаточного сильного взаимодействия ядра атомов были бы нестабильны, и материя в том виде, в каком мы ее знаем, не существовала бы.
Чтобы это выяснить, ушло некоторое время, но что совершенно ясно после экспериментов Фридмана, Кендалла и Тейлора, так это то, что кварки правда существуют. Дни, когда протоны и нейтроны считались фундаментальными строительными блоками атомов, прошли.
Открытие кварков стало возможным благодаря линейному ускорителю, который сам по себе родился благодаря клистронам и магнетронам, а они, в свою очередь, были созданы для обеспечения мощной радиолокационной технологии. Хансен и братья Вариан не могли и предположить конечный результат своих исследований. Взаимосвязи между фундаментальной и прикладной наукой, промышленностью и открытиями обычно представляют собой отдельные истории, рассказанные учеными и предпринимателями. Истории об открытиях мы узнаём от физиков, а об инновациях и коммерческом успехе – от предпринимателей, но почему-то забываем о существующем между ними симбиозе. Как мы видим, он может привести к непредсказуемым результатам, и эта история не ограничивается кварками.
Когда мы в последний раз встречались с братьями Вариан, они основали свою компанию в том месте, которое впоследствии станет Кремниевой долиной. Вскоре они начали продавать электронные LINAC, чье применение не ограничивалось физикой, и линейные ускорители принесли небывалые изменения в медицину, безопасность и промышленность. Сегодня название Varian почти синонимично технологиям линейных ускорителей, и продукт, который может понадобиться каждому восьмому жителю планеты, – это аппарат для лучевой терапии LINAC.
В 1954 году врач Генри Каплан услышал о разработке ускорителей в Стэнфорде и отправился туда с целью создать устройство для лечения рака. Во время обеда Каплан обсудил свой план с Эдом Гинзтоном, и их активное сотрудничество привело к разработке первого медицинского линейного ускорителя в Соединенных Штатах. Электронная машина с энергией 6 МэВ была впервые использована в 1956 году в Стэнфорде в лечении двухлетнего мальчика с опухолью глаза. Пациент был выписан уже без опухоли, зрение сохранилось. Каплан настаивал на обучении радиологов новому типу терапии, и спрос на ускорители в больницах начал расти.
Каплан и Гинзтон убедили Varian Associates пустить клинические ускорители в производство. Со временем аппарат на 6 МэВ стал еще компактнее, теперь его можно было поворачивать на 360 градусов вокруг пациентов, чтобы лечить их под любым углом. С этого момента рентгенотерапия стала предпочтительным методом лечения, а LINAC – средством для его применения. К тому времени, когда протоны и более тяжелые частицы начали использоваться в медицине, эта форма лучевой терапии уже считалась золотым стандартом (см. главу 8).
Сегодня примерно половина всех случаев рака лечится с помощью лучевой терапии (остальные лечатся хирургическим путем и химиотерапией). Чаще используют электроны и рентгеновские лучи, чем протоны или ионы, отчасти потому, что технология намного меньше и дешевле. Современный медицинский линейный ускоритель размещается в подвале больницы в защищенном от радиации помещении с бетонными стенами метровой толщины. Для пациента система выглядит почти так же, как центр протонной терапии, описанный в главе 9, за исключением того, что на этот раз все оборудование находится прямо внутри процедурного кабинета. В центре комнаты кровать, на которой лежит пациент, а над ней – метровый ускоритель частиц, который разгоняет электроны примерно до 25 МэВ, а затем направляет их на металлическую мишень. Когда электроны в металле замедляются, они испускают рентгеновские лучи, точно так же, как в электронно-лучевых трубках, с которыми мы познакомились в главе 1. При лучевой терапии пучку рентгеновских лучей придается особая форма с помощью сложной системы коллимации, которая поглощает часть рентгеновских лучей, создавая теневой узор в соответствии с планом лечения. После придания рентгеновским лучам соответствующей формы они направляются к пациенту.
Все источники питания, вакуумные системы и электроника скрыты за панелью в задней части машины. Откройте ее – и вы увидите клистрон и волноводы, которые подают радиочастотную энергию на ускоряющую структуру резонатора, находящуюся в самом сердце устройства. Так называемое гантри тоже имеет некоторое свинцовое экранирование и ряд магнитов, которые направляют луч вниз на металлическую мишень, где создаются рентгеновские лучи. Весь ускоритель находится в пластиковом корпусе, окруженном системой визуализации и панелями управления. Одно нажатие кнопки – и вся система ускорителя вращается на 360 градусов вокруг кровати пациента.
Varian – один из двух основных игроков, которые сегодня доминируют на рынке медицинских ускорителей. Другой – компания Elekta, созданная Ларсом Лекселлом в 1972 году в Швеции на базе точного радиохирургического оборудования «Гамма-нож». В то время как машины Varian в основном используют клистроны собственного изобретения, технология Elekta обычно использует магнетроны. Обе компании активно сотрудничают с университетскими группами и постоянно внедряют инновации для совершенствования аппаратуры и достижения наилучших клинических результатов.
Во всем мире используется более 12 000 таких медицинских ускорителей. Эти машины служат напоминанием о том, что экспериментальные технологии используются не только для физики элементарных частиц, но и для спасения жизней миллионов людей. На самом деле 12 000 ускорителей далеко не достаточно. При нынешних показателях заболеваемости раком на каждые 200 тысяч человек требуется один аппарат, и хотя страны с высоким уровнем дохода способны обеспечить нужное количество аппаратуры, в государствах, отнесенных Всемирным банком к странам с низким и средним уровнем дохода, не хватает около 5000 аппаратов. В 35 странах Африки к югу от Сахары в настоящее время нет вообще никакой технологии для лучевой терапии.
Во всем мире заболеваемость раком растет в результате того, что люди живут дольше, и больше всего этот рост приходится на страны с низким и средним уровнем дохода. По оценкам, к 2035 году ежегодно будет диагностироваться рак у примерно 35 миллионов человек, и 65–70 % процентов всех случаев – в странах с низким и средним уровнем дохода. Применяются огромные усилия по искоренению других заболеваний и увеличению продолжительности жизни, однако вероятность того, что у человека будет диагностирован рак, повышается с возрастом. Медицинские учреждения достаточно продвинуты во многих странах, чтобы диагностировать онкологию, а доступность образования гарантирует то, что люди достаточно хорошо знают признаки рака, чтобы вовремя обратиться к врачу.
К 2035 году потребуется дополнительно 12 600 аппаратов, а также десятки тысяч онкологов, радиологов, медицинских физиков и других специалистов. Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) проводит огромную работу для решения этой проблемы, но растущая потребность в оборудовании опережает темпы производства и ввода в эксплуатацию новых установок для лучевой терапии.
В 2016 году в ЦЕРНе было созвано совещание для обсуждения этого оборудования, в котором приняли участие международные эксперты в области ускорителей и глобального здравоохранения, а также врачи из Нигерии, Ботсваны, Ганы, Танзании, Зимбабве и других стран Африки к югу от Сахары. Эксперты провели три дня, слушая и задавая вопросы, пытаясь понять, что не так и что необходимо изменить. Я была одним из таких экспертов, и как только мои глаза открылись на столь глобальную проблему, закрыть их уже было нельзя.
Даже если больница может позволить себе необходимую аппаратуру, на техническое обслуживание за год уйдет примерно столько же, сколько на выплату зарплаты двадцати пяти штатным инженерам. Доставка запасных частей занимает много времени, и даже тогда они могут застрять на таможне на месяцы. Каждый день простоя ускорителя означает, что около 50 тысяч пациентов остаются без лечения. Это самые распространенные ускорители частиц в мире, но мы поняли, что они предназначены для стран с высоким уровнем дохода, стабильным энергоснабжением, армией высококвалифицированных инженеров и мощными системами здравоохранения.
Участники этой встречи объединились в новое сотрудничество STELLA – «Умные технологии для продления жизни с помощью линейных ускорителей» (от англ. Smart Technologies to Extend Lives with Linear Accelerators). Существует множество аспектов этой проблемы, которые необходимо решить, включая образование, глобальное развитие, системы здравоохранения и технологии. Используя модели сотрудничества, лежащие в основе Большой науки, мы стремимся решить данную проблему, и наш первый этап – разработка более подходящего LINAC для этих условий – идет полным ходом.
Линейные ускорители нашли свое применение и за пределами медицины. Существуют тысячи небольших ускорителей, используемых в системах сканирования в портах и на границах и позволяющих таможенникам делать снимки содержимого грузовиков и грузовых контейнеров для поиска контрабанды. Высокоэнергетические рентгеновские лучи, производимые линейными ускорителями, могут проходить сквозь куда большие объекты – стандартные рентгеновские трубки на это неспособны.
Ускорители электронов используются для стерилизации медицинских изделий, некоторых опасных почтовых отправлений и даже для удаления потенциальных патогенов из определенных продуктов, включая травы. Способов применения становится только больше. В Южной Корее используются небольшие линейные ускорители для очистки вредных выбросов электростанций и промышленных сточных вод без использования агрессивных химикатов. Как бы нелогично это ни звучало, но ускорители частиц вполне могут быть одним из самых экологически чистых инструментов, которые у нас есть, – они даже используются для производства более дешевых солнечных панелей. Рынок такого рода ускорителей в настоящее время составляет около 5 млрд долл. в год и продолжает расти.
Продолжается разработка магнетронов, клистронов и линейных ускорителей как в промышленности, так и в университетских лабораториях, и обычно эта работа проходит в сотрудничестве между ними. Технологии становятся все меньше, дешевле, надежнее и энергоэффективнее. В настоящее время ускорительные технологии для физики элементарных частиц разрабатываются совместно с их приложениями в медицине и промышленности, отчасти потому, что процесс индустриализации может помочь снизить затраты на крупные проекты, как это было при поиске кварков.
Сегодня на конференциях, посвященным новым видам лучевой терапии, которые могут сократить время лечения рака с минут до секунд и от 25 сеансов лечения до всего одного или двух, можно увидеть полным-полно физиков ускорителей. Физики, которые работают вместе с коллегами-медиками над изобретением этих технологий следующего поколения, – это те же самые ученые, которые проводят эксперименты по физике элементарных частиц. Им нравится иметь возможность оказывать непосредственное влияние на реальный мир, при этом никогда не останавливаться в поисках ответов на важные вопросы о Вселенной.
Но все это придет гораздо позже. В конце 1960-х годов началась новая эра открытий. Первые шаги на Луне шли рука об руку с прорывными исследованиями мельчайших составляющих материи. После открытия кварков физики всего мира продолжали революционизировать физику элементарных частиц. Между 1974 и 1977 годами эксперименты в SLAC с использованием кольца электрон-позитронного коллайдера под названием SPEAR предоставили доказательства существования тау-лептона – более тяжелой версии электрона и мюона, – указывающие на то, что может существовать третье поколение частиц. Если это окажется правдой, может быть еще больше кварков. Казалось, не будет конца тайнам, которые порождал субатомный мир.
