Глава 11
Тэватрон: третье поколение частиц
Мы впервые встретились с Робертом Ратбуном «Бобом» Уилсоном в Беркли в середине 1940-х годов, когда он предложил идею протонной терапии. К концу 1960-х годов он уже оставил свое звание протеже Эрнеста Лоуренса и сам стал лидером. Уилсон был физиком нового типа, своего рода мастером на все руки – одновременно провидцем, инженером, сборщиком средств и предпринимателем. К тому же он оказался талантливым поэтом, скульптором и оратором и со временем научился сочетать творчество и науку, учредив ведущую в мире лабораторию. Но сначала он должен был получить одобрение на финансирование ее строительства.
В апреле 1969 года Уилсон предстал перед Конгрессом США с просьбой выделить 250 млн долл. на строительство самого амбициозного ускорительного проекта Соединенных Штатов. Дни, когда физики легко получали финансирование, закончились, и Уилсону пришлось конкурировать с другими проектами, просящими государственных денег: от космических миссий NASA до огромных расходов на корабли, самолеты и оружие для обороны. Не успел Уилсон начать, как сенатор Джон Пасторе указал на экспериментальность предлагаемого проекта. Они даже не знали, что смогут в итоге обнаружить! Как можно пойти на столь дорогостоящее и рискованное предложение?
Задуманный ускоритель, сказал Уилсон, поможет найти ответы на извечные вопросы о простоте природы. Возможно ли, спросил он, что мы поймем беспорядочность всей жизни и Вселенной, основываясь всего на нескольких элементарных частицах? Исходя из этого видения, он изложил ситуацию в игре. Они знали о силах гравитации, электромагнитной силе и ядерной силе, которая связывает протоны и нейтроны вместе. Открытие кварков шло полным ходом в SLAC, и, как мы видели в предыдущих главах, физики предполагали наличие четвертой силы – слабого ядерного взаимодействия. При бета-распаде, во время которого нейтрон превращается в протон, кварки, как казалось, испытывают как сильное, так и слабое ядерное взаимодействие. Уилсон утверждал, что эта новая машина позволит проводить эксперименты в таком диапазоне энергий, что физики смогут окончательно подтвердить эти силы и собрать воедино более полное понимание того, как работает Вселенная. В интеллектуальном плане перспективы этого начинания восхищали.
Сенатор Пасторе кивнул и сказал, что, как он понимает, цель ускорителя – фундаментальные исследования в области физики высоких энергий, образовательный и академический процесс. Уилсон добавил: «И культурный, но с твердым убеждением, что придут технологические разработки… Поскольку мы занимаемся чрезвычайно сложными техническими вещами и проводим необычные исследования, мы из прошлого опыта знаем о неизбежном развитии новых методов, способных более чем окупить затраты на фундаментальные исследования, изначально не направленные на достижение соответствующих результатов».
Сенатор хотел помочь Уилсону, обставив все так, будто эта машина незаменима для нации. Он спросил Уилсона, привнесет ли она что-нибудь в безопасность страны, но Уилсон прямо ответил: «Нет». После Манхэттенского проекта его вклад в безопасность с помощью физики был в значительной степени позади, этот проект вызван исключительно любопытством к Вселенной. Сенатор надавил: «Совсем ничего?»
Уилсон сделал паузу, затем посмотрел на сенатора и сказал: «Эта машина привнесет что-то только в уважение, с которым мы относимся друг к другу, в достоинство человека, нашу любовь к культуре. Она ответит на вопрос, хорошие ли мы художники, хорошие скульпторы, великие поэты. Я имею в виду все то, что мы действительно почитаем в этой стране и к чему относимся с патриотизмом… Но она не имеет никакого отношения непосредственно к защите нашей страны, разве что сделает ее достойной защиты».
Бюджет был утвержден. В октябре того же года Уилсон лично воткнул лопату в землю на площадке в часе езды от Чикаго, ознаменовав официальную церемонию закладки фундамента Национальной ускорительной лаборатории, позже известной как Фермилаб.
Фермилаб действительно не похожа ни на одну другую физическую лабораторию. В соответствии с интересами Уилсона, вместо однообразных кирпичных и сборных зданий здесь полно скульптур и архитектурных деталей. Проезжая через небольшую деревню с домами, обшитыми деревянными панелями, и попадая на территорию Фермилаба, посетители видят не высокотехнологичное оборудование, а стадо бизонов – дань уважения степному наследию. Приближаясь к главному зданию, посетители проезжают между длинными бассейнами, отражающими свет. В их дальнем конце находится похожий на собор Уилсон Холл – бетонное сооружение высотой 76 м, смягченное архитектурными изгибами. Со смотровой площадки на верхнем этаже можно увидеть километры туннелей и технологий, ускорители и эксперименты, разбросанные по обширной площадке, как круги на полях.
В видении Уилсона лаборатория должна быть захватывающей, функциональной и красивой. Он считал, что ее эстетика повлияет и на ее успех. Штатный художник Анджела Гонсалес принимала участие в разработке буквально всего, начиная от логотипа лаборатории и приветственных плакатов и заканчивая столиками в кафетерии. Эстетичность стала важной частью и научного оборудования. Уилсон считал, что научные инструменты должны быть такими же красивыми, как идеи теоретической физики. Как скульптор, он настаивал на том, чтобы ускорители, эксперименты и все другие аспекты большой лаборатории имели изящные линии, хорошо сбалансированные объемы и внутреннюю эстетическую привлекательность.
Сначала Уилсон набросал объект широкой кистью, почти как если бы он очерчивал формы на холсте. Он должен быть научно амбициозным, чтобы привлечь к проекту лучших ученых, но при этом надо придерживаться бюджета. Он решил, что его первоначальная цель – та, на которую выделили бюджет, – недостаточно амбициозна. Вместо энергии в 200 ГэВ он хотел достичь 500 ГэВ с помощью ускорителя – «Главного кольца» с радиусом 1 км. Размер был выбран просто потому, что его легко запомнить. Но вдобавок к этой новой задаче Уилсон решил ускорить график строительства. Вместо первоначальных семи лет он хотел уложиться в пять.
Лучшие умы узнали о его диковинной идее и начали присоединяться к проекту. Его видение привлекло физиков, инженеров и специалистов по решению проблем с огромной творческой энергией и энтузиазмом. Новое «Главное кольцо» было уже не единственным ускорителем, который нужно построить. Уилсон знал, что для него потребуется целая цепочка предварительного ускорения: протоны запускались в генераторе Кокрофта – Уолтона, затем они проходили через LINAC и попадали в кольцо, называемое бустером. Только после этого пучок протонов передавался в «Главное кольцо».
Физик ускорителей Хелен Эдвардс и ее муж Дон присоединились к команде в 1970 году, когда все только начиналось. Родом из Детройта, штат Мичиган, Эдвардс заинтересовалась естественными науками и математикой, когда посещала школу для девочек в Вашингтоне, округ Колумбия, и, несмотря на борьбу с дислексией, осваивала предметы исключительно благодаря концентрации внимания. Она получила степень бакалавра по физике в Корнелле, единственная женщина среди дюжины мужчин. Она намеревалась сразу поступить в аспирантуру, но в то время женщины должны были сначала получить степень магистра. Тем не менее она упорствовала и завершила свое исследование по распаду частиц, приобретя практический опыт работы с ускорителем электронов Корнеллского университета. Именно там с ней познакомился Уилсон, и всем было ясно, что ее способность концентрироваться на главном делала ее отличным специалистом по решению научных и технических проблем. Уилсон поручил Эдвардс ввести в эксплуатацию бустерный синхротрон.
Эдвардс и ее команда быстро привели бустер в действие, и он мог доставлять протоны с энергией 8 ГэВ в «Главное кольцо». Команды, управляющие генератором Кокрофта – Уолтона и линейным ускорителем, тоже достигли своей цели – запустить их в эксплуатацию. Поскольку строительство шло с головокружительной скоростью, Эдвардс присоединилась к команде, работающей над уже частично завершенным «Главным кольцом».
Темп работ был лихорадочным, а условия – мрачными: из-за протечек туннель «Главного кольца» иногда заполнялся грязью, через которую приходилось пробираться, чтобы продолжить установку магнита. Уилсон пошел на риск, заявив, что «оборудованию, способному работать без сбоев, свойственна избыточность, и, следовательно, на создание такого оборудования уйдет слишком много времени и средств». Он утверждал, что дешевле будет чинить вышедшие из строя детали.
Проблемы нужно было решать быстро, и в команде Эдвардс позже рассказывали истории, как она могла производить подробные вычисления прямо на коленке, решая трудности по мере их появления. Ее команда была не менее изобретательна. После сварки ускорителя они обнаружили, что в вакуумной трубе оставались небольшие кусочки металлического мусора, которые могли сбить протоны с пути, вызвать радиацию или повредить машину. Уже не зная, что делать, один инженер обучил хорька по имени Фелиция протягивать веревку через трубку, к веревке он затем прикреплял чистящий тампон и протягивал веревку обратно, удаляя мусор. Это сработало, но впереди поджидало еще больше неприятностей.
В 1971 году ситуация достигла апогея, после того как команда привела в действие 1014 магнитов и обнаружила, что не менее 350 из них вышли из строя. Этот «магнитный кризис» стоил им по меньшей мере шести месяцев и двух миллионов долларов, и даже по сей день не совсем ясно, что пошло не так. Но, похоже, в основном виноваты тонкая эпоксидная изоляция и проблемы с конденсацией. Несмотря на все трудности, в марте 1972 года, протонный пучок наконец начал циркулировать по окружности «Главного кольца» длиной 6,28 км, и вскоре команда побила мировой рекорд по энергии протонного пучка.
Затем Эдвардс взяла на себя решение другой проблемы: как заставить протонный пучок покинуть машину. Нужно было сохранить по крайней мере 98 % луча, иначе повышается риск возникновения радиации и разрушения компонентов. Принятое решение заключалось в точной настройке машины таким образом, чтобы луч отклонялся очень близко к краю трубы в трех местах, где команда установила электростатические перегородки – металлические полосы, удерживаемые под очень высоким напряжением, – которые обеспечивали достаточную силу, чтобы вытянуть луч из машины.
К 1974 году все заработало и все три экспериментальные области могли принимать луч в одно и то же время. Энергия «Главного кольца» была увеличена с 200 ГэВ до 400 ГэВ в 1975 году, а затем – до 500 Гэ В. Каждая точка выхода луча из кольца была разделена еще на три части, обеспечив в общей сложности девять лучей от одного ускорителя. Когда машина была готова к использованию, можно было сосредоточить внимание на экспериментах.
В основном эксперименты сосредотачивались на нейтрино, мезонах и протонах соответственно. По большей части эксперименты разрабатывались и проводились университетскими учеными, а не собственными сотрудниками лаборатории. Отчасти это было связано с бережливостью Уилсона. Чтобы сэкономить, он решил, что экспериментаторы будут отвечать за свои собственные участки, и им просто предоставят «яму» – буквально яму с земляным полом, вырытую в земле для защиты от радиации, – в комплекте со стенами из гофрированного железа и крышей. Очевидно, что эстетический план Уилсона не распространялся на удобство пользователя. Университетские ученые чувствовали несправедливое отношение к себе, поскольку условия работы в Фермилабе были куда суровее в отличие от сравнительно шикарных лабораторий SLAC или ЦЕРН.
Несмотря на крайнюю некомфортность экспериментальных ям, Уилсон знал, что создает самый высокоэнергетический пучок в мире и физики будут стучать в его двери. И, конечно же, тут он не ошибся. К 1976 году лаборатория получила предложения от более чем 120 исследовательских центров, включая сотрудников из Канады, Европы и Азии. Более половины из 500 предложенных экспериментов были одобрены, и к 1978 году многие из них были завершены. Одним из первых экспериментаторов был харизматичный физик из Колумбийского университета Леон Ледерман.
С момента основания Фермилаба Ледерман был защитником и сторонником этой лаборатории. Он соответствовал представлению Уилсона об идеальном экспериментаторе – амбициозном, но готовом адаптироваться. Там, где Уилсон был ковбоем, Ледерман был городским пройдохой. Родившийся в Нью-Йорке в семье украинско-еврейских иммигрантов, в колледже он выбрал физику, когда друг убедил его в ее великолепии за долгим вечерним пивом. Он научился выбирать важные физические проблемы, что привело его к совместному открытию мюонного нейтрино в 1962 году. С этого начались его эксперименты в Фермилабе.
Ледерман и другие знали о двух существующих поколениях частиц, которые можно было бы сгруппировать в лептоны, состоящие из электрона и его более тяжелого родственника мюона, вместе с электронным нейтрино и мюонным нейтрино. И о поколениях кварков: первое поколение состоит из верхних и нижних кварков, и потому казалось разумным, что у странного кварка тоже должен быть свой «партнер», названный очарованным кварком, которые вместе составят второе поколение. Такое предложение было выдвинуто теоретиками в 1970 году и первоначально мотивировано эстетическими соображениями. Но в дальнейшем это помогло решить некоторые технические проблемы в уравнениях.
К тому времени, когда заработало «Главное кольцо», Ледерман уже упустил возможность открыть очарование. Оно был найдено в 1974 году почти одновременно в Брукхейвене и SLAC в виде частицы J/Ψ (читается как «джей-пси», где пси – греческая буква Ψ). Но на этом сюрпризы природы не закончились. Как мы видели в конце предыдущей главы, в 1975 году исследователи из SLAC обнаружили еще более тяжелую версию электрона и мюона – тау-лептон. У Ледермана появилась новая мотивация: если существует третье поколение лептонов, тогда почему бы не существовать и третьему, более тяжелому поколению кварков?
Ледерман запросил себе рабочее место для проведения нового эксперимента, названного, по его предложению, «Эксперимент 288» (E288), в ходе которого он собирался использовать электронные детекторы для поиска пар мюонов, являвшихся ожидаемой сигнатурой короткоживущей тяжелой частицы. Целью ученого было найти частицы, содержащие еще более тяжелые кварки, чем обнаруженные до сих пор верхние, нижние, очарованные и странные. Когда его предложение было принято, а эксперимент подготовлен, пучок протонов с энергией 500 ГэВ был направлен из «Главного кольца» к их яме, где команда собирала данные о каждой паре мюонов, которые она обнаружила. Чтобы проанализировать результаты, ученые суммировали энергию каждой пары мюонов и обозначали их точками на гистограмме. Пик или любая выпуклость на этой гистограмме будет свидетельствовать о появлении новой частицы.
К 1976 году обнаружился пик в области 6 Гэ В. Несмотря на то что количество событий было небольшим, вероятность того, что эти события были статистическим отклонением, составляла всего 2 %. Команда пошла дальше и опубликовала статью, в которой сообщалось о совершенно новой частице, названной ипсилоном, что они интерпретировали как «величественная частица». Затем случилось немыслимое. По мере того как они собирали больше данных, пик, показывающий ипсилон, исчез, поглощенный фоновым шумом случайных событий. Частицы с массой 6 ГэВ все-таки не было.
Это был жестокий урок статистики и одна из причин, по которой сегодня общепринятым стандартом для объявления об открытии новой частицы физики называют «правило 5 сигм». То есть вероятность получения случайного результата составляет менее одного шанса на 3,5 миллиона. Ни в одной другой области науки не применяется такой невероятный стандарт. Например, если у вас диагностировали заболевание и врач сказала, что она на 95 % уверена, что данные клинических испытаний для предложенного лечения верны, вы примете лекарство, верно? Но физики элементарных частиц не посчитают это достаточным доказательством. Работая над такими длительными и крупными проектами, физики элементарных частиц хотят быть уверенными, что они не обманывают себя насчет того, что реально, а что нет.
Ледерман воспринял неудачу с юмором, даже после того, как его коллеги переименовали несуществующую частицу в УпсЛеон в его честь. Команда E288 вернулась к своему эксперименту весной 1977 года и начала собирать новые данные. Когда пик возник примерно на 9,5 ГэВ всего через семь дней, один из физиков, Джон Йо, воскликнул: «Что, черт возьми, происходит?!» Но, как того требовала традиция, он на всякий случай поставил в холодильник бутылку шампанского с надписью «9,5».
Но теперь они не спешили делать объявление. Они были полны решимости полностью удостовериться в том, что эта новая частица, образующаяся один раз на каждые 100 миллиардов протонов, сталкивающихся с мишенью, не случайна. Они приготовились собрать больше данных. В 11 часов вечера 20 мая произошел сбой в проводке устройства для измерения тока на магните. Кабель нагрелся, расплавился, а затем поджег соседний кабельный лоток. Вскоре зал наполнился едким дымом. Команда запаниковала.
Прибывшая пожарная бригада быстро все потушила, но команда встревожилась еще сильнее: вода, которой тушили возгорание, в сочетании с газообразным хлором, выделяемым в воздух огнем, образовала кислоту, которая начала разъедать электронные компоненты оборудования. Если они не смогут остановить коррозию, они никогда не соберут достаточно доказательств, чтобы объявить о новой частице. Отчаявшись спасти эксперимент, Ледерман вызвал голландского эксперта, который прибыл через 72 часа с ведрами секретного чистящего раствора. Все члены команды E288, сотрудники протонного отдела, мужья и жены, друзья и секретари присоединились к физикам на производственной линии, помогая им очистить 900 печатных плат под пристальным наблюдением эксперта.
Когда эксперимент был спасен, пять дней спустя они снова начали сбор данных. Пик на 9,5 ГэВ продолжал появляться. Масса новой частицы примерно в 10 раз превышала массу протона. Дважды – и трижды – команда перепроверяла свои результаты, но на этот раз они были абсолютно точны.
15 июня 1977 года они созвали семинар в аудитории Фермилаба и объявили, что у них правда получилось: команда E288 обнаружила совершенно новую частицу с энергией 9,5 ГэВ – самую тяжелую частицу, когда-либо обнаруженную, и первую, обнаруженную в Фермилабе. Ее вновь назвали ипсилон, но на этот раз название прижилось. В честь знаменательного открытия была выпита 9,5-литровая бутылка шампанского, и Фермилаб прочно вошел в историю как лаборатория экспериментальных открытий.
Согласование новых экспериментальных данных с развитием теории не заняло много времени. Оказалось, что ипсилон представляет собой комбинацию b-кварка и анти-b-кварка, название которых расшифровывается как боттом-кварк, или прелестный кварк, в зависимости от того, кого вы спросите. Новый тяжелый b-кварк был предсказан еще в 1973 году японскими теоретиками Макото Кобаяси и Тосихидэ Маскавой, а названия «топ-кварк» и «боттом-кварк» были придуманы в 1975 году израильским физиком Хаимом Харари. Несмотря на возрастающую сложность физики элементарных частиц, ипсилон еще раз подтвердил, что в основе природы лежит простота и симметрия. Всего было шесть лептонов (электрон, мюон, тау и их нейтрино) и шесть кварков (верхний, нижний, странный, очарованный, боттом (прелестный) и топ (истинный)).
Оглядываясь назад, можно сказать, что ипсилон был, как сказал Ледерман, «одним из самых ожидаемых сюрпризов в физике элементарных частиц». Теперь, когда стало известно, что существует боттом-кварк, стоило предположить, что есть и его тяжелый партнер, топ-кварк. Хотя физики пока не понимали, насколько он должен быть тяжелым, поскольку теория этого не говорила, следующие эксперименты в Фермилабе были предопределены. Начались поиски шестого – и последнего – кварка.
Фермилаб соответствовал видению Уилсона как национальное и международное учреждение, но Уилсон на этом не остановился. Он всегда смотрел далеко за пределы этой первой стадии. К открытию ипсилона у Фермилаба был уже не самый большой ускоритель в мире: пальма первенства перешла ЦЕРНу, построившему кольцо длиной 7 км под названием Протонный суперсинхротрон с энергией 450 Гэ В. Уилсон и Эдвардс гордо их обогнали, достигнув 500 ГэВ с немного меньшим по размеру «Главным кольцом», но теперь Уилсон раскрыл план, который он так долго вынашивал.
С самого начала Уилсон не хотел останавливаться на «Главном кольце», и у него были две идеи. Во-первых, он понял, что, если к комплексу добавить второй ускоритель, состоящий из мощных магнитов, они смогут удвоить энергию пучка. Они могли бы повторно использовать тот же туннель для создания пучков с энергией 1000 ГэВ или 1 ТэВ, достигая тем самым «тера-масштаба» и потенциально получая совершенно новые возможности. Во-вторых, он хотел построить машину, которая могла бы сталкивать частицы непосредственно друг с другом, а не с фиксированной целью: построить коллайдер, а не просто ускоритель.
Новое кольцо, получившее название «Удвоитель энергии», но позже переименованное в Тэватрон, должно было находиться непосредственно под «Главным кольцом», где Уилсон выделил для него достаточно места. План состоял в том, чтобы сначала ускорить протоны в существующем «Главном кольце», а затем передать пучок в кольцо Тэватрона, где он достигнет энергии в 1 Тэ В. Удержать на траектории настолько высокоэнергетические частицы возможно только с магнитной технологией совершенно нового типа, которая могла бы создавать магнитное поле в два раза большее, чем магнитное поле «Главного кольца». Обычные электромагниты, изготовленные из железа и меди, уже не подходили, поэтому Уилсон планировал использовать сверхпроводящие магниты, называемые так потому, что они сделаны из материалов, которые могут выдерживать огромный электрический ток, не выделяя тепла.
Сверхпроводящие материалы теряют все электрическое сопротивление ниже определенной температуры, обычно около –270 градусов по Цельсию – эффект, впервые обнаруженный еще в 1911 году. Пятьдесят лет спустя были обнаружены первые сверхпроводящие материалы, которые можно было сформировать в провода. Теоретически эти провода могли бы создавать сильное магнитное поле. Проблема заключалась в том, что никто никогда не делал магнит ускорителя таким образом. Как всегда, Уилсон был впереди и в 1972 году запустил программу по созданию сверхпроводящих магнитов – поразительный шаг за пять лет до того, как Ледерман и команда E288 обнаружили ипсилон.
Второй аспект смелого видения Уилсона заключался в столкновении двух лучей вместе, и это было не менее сложно. Столкновение частиц лоб в лоб – почти невыполнимая задача, поскольку каждая отдельная частица настолько мала, что ее шансы столкнуться с другой частицей ничтожны. Но Уилсон настаивал на своем плане, видя в нем небывалые перспективы. В предыдущих ускорителях, где высокоэнергетические пучки разбивались о неподвижные мишени, сохранение энергии диктовало, что большая часть энергии в пучке уходит на выбивание частиц из мишени и их унос. Только ограниченная часть этой энергии идет на создание новых частиц. В физике элементарных частиц мы называем это энергией центра масс, и в случае, когда луч с энергией 1 ТэВ попадает в цель, на создание частиц уходит всего 43,3 ГэВ полезной энергии. Любые частицы с массой выше 43,3 ГэВ просто нельзя создать.
Именно это Уилсон хотел улучшить. При лобовом столкновении вся поступающая энергия переходит в энергию центра масс, поэтому два сталкивающихся пучка с энергией 1 ТэВ будут иметь энергию центра масс 2 ТэВ, для достижения которой в традиционных экспериментах с мишенями потребовался бы ускоритель в десятки раз больше. Как бы ни было сложно построить коллайдер, его преимущества казались очевидными.
Первоначальное «Главное кольцо», конечно, было тоже непросто построить, но идея нового коллайдера казалась и вовсе безумной. Были риски в каждом отдельном аспекте, и все детали надо было производить на заказ. Для нового кольца требовалось 774 ниобий-титановых сверхпроводящих дипольных магнита, охлаждаемых в жидком гелии, чтобы изогнуть луч по кругу, и дополнительные 216 квадрупольных магнитов для его фокусировки. Нужны были также запасные части на случай практически неизбежных поломок. Ни одна компания не знала, как создавать такие магниты, собственно, как и Фермилаб. Элвин Толлеструп, один из ведущих разработчиков, представил эту идею своим европейским коллегам в ЦЕРНе. Как он позже вспоминал: «Ребята сидели и смеялись… Они думали, что мы чокнутые». Физики из ЦЕРНа знали, что никто в мире не способен создать магниты, нужные для Тэватрона, и, конечно, не в требуемом количестве. Как можно сделать то, что никогда раньше не производилось, в масштабах, которые кажутся почти смешными, поскольку ни одна компания ничем подобным не занималась?
Первым шагом было найти сырье для магнитов. В 1974 году лишь несколько специализированных компаний продавали ниобий-титановый сверхпроводящий материал для высокотехнологичных устройств, и большинство заказов было всего на несколько граммов или, самое большее, на несколько килограммов. Команда Фермилаба спросила, сколько будет стоить тонна. Позже в том же году они разместили заказ на закупку ошеломляющего количества ниобий-титана, эквивалентного 95 % материала, который когда-либо производился.
Поскольку сырье было в пути, следующим этапом было выяснить, как превратить его в кабели. Многие пытались и потерпели неудачу, но в лаборатории Резерфорда – Эплтона в Великобритании команда ученых придумала способ вытягивания драгоценного ниобий-титанового материала в очень тонкие волокна и встраивания тысяч этих волокон в медную матрицу с образованием нитей проволоки, которая в конечном итоге формировала кабель. Звучит просто, если знать, как это делается, но команде Фермилаба пришлось научиться этому с нуля.
Затем в лаборатории решили передать производство проводов на аутсорсинг, отдав сырье и рецепт того, как добиться идеальной длины проволоки. Фермилаб не стал патентовать процедуру изготовления проводов, сделав ее общедоступной и открыв конкуренцию для производителей за поставку готового кабеля для своего огромного проекта. Как только кабель был изготовлен, его скрутили в катушки и подключили к источнику энергии для создания магнита.
Вся эта осторожность и точность необходимы для того, чтобы предотвратить квенч – явление, когда крошечные тепловые эффекты могут привести к тому, что магнит потеряет свое сверхпроводящее состояние и внезапно нагреется. Причем квенч – это не просто небольшое затруднение: при нем выделяется огромное количество энергии, и если его не предотвратить, то магнит и его источник питания могут просто взорваться. Сверхпроводящие магниты чрезвычайно деликатны.
Сегодня у нас за плечами десятилетия исследований, но в 1970-х годах никто не понимал, как сделать такой магнит, и было очень мало теоретических знаний о возможных сложностях. Уилсон, сам опытный мастер, осознал стоящую перед ними задачу и решил создать «фабрику сверхмагнитов», поставив во главе Толлеструпа. Магниты были настолько чувствительны к изменениям, что Толлеструп решил: при каждой попытке следует менять только одну переменную. Другого выхода не было, только метод проб и ошибок.
Между 1975 и 1978 годами было произведено около 100 30-сантиметровых магнитов, в каждом были небольшие отличия от других, чтобы выяснить, какой прототип лучше подойдет. Если короткий прототип показывал многообещающие результаты, ученые создавали более длинную версию, пока в конце концов не получался полномасштабный магнит длиной 6,7 м. Опыт показал, что любые незначительные изменения в методе создания могут привести к катастрофе. Тот факт, что в своей мини-версии магнит хорошо работает, вовсе не гарантирует, что в длинной версии все будет как надо.
Метод исследований и разработок Фермилаба, безусловно, считался необычным в то время. Команда создала производственное ноу-хау, позволяющее увеличить производство от отдельных рабочих магнитов почти до тысячи единиц, и все это своими силами. Физикам была нужна уверенность, что они могут контролировать мельчайшие детали и достигать необходимого уровня качества и согласованности. Они должны были быть уверены, что все магниты абсолютно одинаковы, что нет никаких дефектов или различий, которые могли бы иметь катастрофическое влияние на протонный пучок. Только после столь интенсивного многолетнего труда магниты можно было наконец собрать в кольцо и превратить его в ускоритель частиц.
Вся эта разработка магнитов велась одновременно с поиском ипсилона, его открытием и вычеркиванием из записей, а затем повторным и окончательным занесением в ряд частиц. Уилсон разделил усилия сотрудников и попросил некоторых из них сосредоточиться исключительно на Главном кольце, в то время как другие работали над Тэватроном. Среди последних и все больше разочаровывающихся была Хелен Эдвардс. У нее, как и у некоторых других, были опасения по поводу Тэватрона, поэтому вместе они образовали неофициальный «Комитет по подземным показателям», занимающийся вопросами проектирования. Уилсон поддержал работу Комитета, когда узнал о ней.
Но техническими проблемами все не ограничилось. В Фермилабе не хватало денег, а правительство еще не утвердило финансирование Тэватрона. В 1978 году, в условиях нехватки финансирования и пока так и не реализованной идеи Тэватрона, Уилсон постепенно разочаровывался в своей роли директора. В конце концов он решил уйти, передав роль руководителя лаборатории Леону Ледерману, который должен был принять решение – и быстро – о том, будут ли они продолжать работу с новым кольцом или сократят расходы и переделают в коллайдер само Главное кольцо. Конкуренция со стороны ЦЕРНа была безжалостной. Они уже превратили Протонный суперсинхротрон в коллайдер с энергией пучка 270 ГэВ, что дает энергию центра масс 540 ГэВ, достаточную для поиска тяжелых частиц.
В ноябре 1978 года Ледерман организовал обзорную встречу, более известную как «перестрелка». Сторонники и противники создания Тэватрона представили свои аргументы, а эксперты из других лабораторий были привлечены в качестве судей. Вместе они пришли к убеждению, что не смогут конкурировать с ЦЕРН, сделав коллайдер из Главного кольца. Они также пришли к выводу, что, несмотря на все риски, Тэватрон осуществим. В ходе этих дебатов стало очевидным второе преимущество сверхпроводящих магнитов. Поскольку цены на нефть стремительно росли, а нехватка электроэнергии была в полном расцвете, счета Фермилаба за электроэнергию достигали примерно 10 млн долл. в год, что составляло огромную часть эксплуатационных расходов лаборатории. Но сверхпроводящие магниты могут заряжаться энергией, а затем продолжать работать, что позволит лаборатории сэкономить около 5 млн долл. в год на счетах за электроэнергию.
К концу двухдневных дебатов Ледерман принял решение: они продолжат работу над Тэватроном. Недавно созданное Министерство энергетики согласовало поэтапный план. Команда Фермилаба должна была продемонстрировать цепочки магнитов, надежно работающих сначала в испытательном зале, а затем в главном туннеле, прежде чем проект будет утвержден.
Руководство проектированием и строительством Тэватрона было очень важной задачей, и Ледерман поручил ее Хелен Эдвардс и Ричу Орру. Орр – физик, родом из Айовы, известен своим спокойным поведением. Он помогал строить мезонную лабораторию и, как и Эдвардс, стал хорошо известен умением объединять людей и двигать их к успеху. Вместе они были отличным дуэтом, знающим, как расставить приоритеты, что оказалось критически важным в проекте такого размера, как Тэватрон.
Испытание магнита прошло без сучка и задоринки. Все было настолько успешно, что решили еще больше разогнать магниты, повысив силу тока до 4000 ампер, чтобы вызвать квенч. Все системы защиты сработали великолепно, выпустив кипящий гелий и защитив магниты. Затем попытались вызвать электрические дуги, но, как позже рассказывал Рич Орр, «сломать магниты просто невозможно». Они были готовы к работе. Производство увеличилось, фабрика магнитов перешла на полную мощность, и рабочие проводили в туннеле чуть ли не круглые сутки, прокладывая трубы и соединения, выполняя электромонтажные работы и устанавливая магнит за магнитом.
К середине июня 1983 года команда Фермилаба запустила луч в кольцо Тэватрона. Две недели спустя, 3 июля, энергия луча достигла 512 ГэВ, что стало новым мировым рекордом. Фермилаб опередил своих европейских соперников, и газеты возвещали о его успехе. Но Эдвардс и Орру предстояло еще более сложное испытание: превратить машину в коллайдер, способный разбивать протонный пучок об антипротонный.
Идеи создания коллайдеров существовали с 1950–1960-х годов. Первый небольшой электронный коллайдер назывался AdA (Anello Di Accumulazione – накопительное кольцо) и был создан во Фраскати, Италия, в 1961 году. ЦЕРН построил первый протонный коллайдер под названием ISR (от англ. Intersecting Storage Rings – пересекающиеся накопительные кольца) в 1971 году, он был способен достигать энергии центра масс в 60 Гэ В. Обладая почти в 40 раз большей энергией, чем у ISR, Тэватрону предстояло сталкивать протоны и антипротоны в масштабах, намного превосходящих те, что были раньше.
Чтобы коллайдер заработал должным образом, требуется много технической изобретательности. Плотность пучка частиц ниже, чем у твердой или жидкой мишени, поэтому пучки должны пересекаться много раз, и в каждом пучке должно быть как можно больше частиц. Как только протоны и антипротоны оказывались в кольце, требовалось около 20 секунд, чтобы разогнать пучки до 1 ТэВ, чтобы затем магниты направили их по пересекающимся траекториям.
Наконец, когда все части сложились воедино, 30 ноября 1986 года столкнулись первые протонные и антипротонные пучки. Физики ускорителей совершили невозможное: запустили крупнейший в мире сверхпроводящий ускоритель. Но там, где заканчивалась их работа, начиналась работа физиков-экспериментаторов.
К началу 1970-х годов многие открытия, которые мы уже видели, были математически сведены воедино, чтобы сформировать одну всеобъемлющую теорию – Стандартную модель физики элементарных частиц. Стандартная модель включает в себя все частицы, которые были открыты, начиная с электрона, мюона, тау и нейтрино, заканчивая кварками и образуемыми ими частицами: протонами, нейтронами вместе с пионами, каонами, резонансными частицами и так далее. Однако оставалось найти еще один кварк – топ-кварк. Ожидалось, что он будет тяжелым, поэтому для его обнаружения потребуются столкновения с максимально возможной энергией. Вот что мотивировало экспериментаторов, построивших Тэватрон.
Международные команды физиков приступили к проведению двух крупных экспериментов, которые включали в себя создание двух огромных детекторов вдоль кольца, где сталкивались лучи Тэватрона. Первая экспериментальная группа построила детектор столкновений, известный как CDF (от англ. Colliding Detector at Fermilab), и выбрала Элвина Толлеструпа и Роя Швиттерса в качестве докладчиков. Сотрудничество началось быстро: физики из Пизанского университета в Италии и Цукубского университета в Японии присоединились к коллегам из примерно 10 американских институтов. CDF представлял собой огромный 4500-тонный многослойный цилиндрический детектор, встроенный в сверхпроводящий соленоид, чья задача – изгибать частицы и определять их импульс. Различные слои детектора чувствительны к различным частицам, что позволило восьмидесяти семи ученым, работавшим над детектором, измерять энергию, заряд и тип частиц, а также создавать цифровые реконструкции осколков от столкновений частиц. Все слои теперь были полностью электронными, поэтому сбор данных и вычисления стали неотъемлемой частью эксперимента. Для создания детектора каждое сотрудничающее учреждение взяло на себя ответственность за разные части детектора, а также за финансовые и технические аспекты его создания и доставки. В конце концов его собрали воедино и в 1986 году начался сбор данных.
После CDF был построен второй детектор, DZero (названный так из-за его расположения в кольце). Команде DZero нужно было кое-что наверстать, но в конечном итоге сотрудничество выросло до размеров, аналогичных CDF, и в итоге обе группы насчитывали несколько сотен человек. Два эксперимента были необходимы для того, чтобы обеспечить независимую проверку любого нового явления. DZero был немного более громоздкий, чем CDF: он весил 5500 тонн и достигал высоты более четырех этажей, со слоями детекторов, похожих на CDF. DZero начал собирать данные в 1992 году.
Эти два невероятных устройства представляли собой новый тип детектора частиц, который окружал экспериментальную установку. Детекторы были настолько сложными и дорогостоящими, что их нельзя было демонтировать в конце эксперимента, как бывало раньше. Вместо этого они должны были стать многоцелевыми и оставаться на месте. Были заявлены беспрецедентные масштабы экспериментов, которые физики планировали провести на этом новом коллайдере, – они могли длиться дольше, чем того требует получение докторской степени или постоянная преподавательская работа. Даже руководитель экспериментов брал бразды правления в свои руки лишь на некоторое время, а затем передавал их другому коллеге. Это была уже не просто Большая наука – это была меганаука. Из национальной лаборатории Фермилаб превратился в по-настоящему международную, а к программе продолжали присоединяться исследователи из многих уголков мира.
Два эксперимента должны были обеспечить независимую проверку любого нового явления. К концу 1993 года обе команды осторожно начали говорить о доказательствах существования шестого кварка, топ-кварка, но им требовалось больше времени и больше данных, чтобы соблюсти уровень статистической значимости в 5 сигм. Наконец, в 1995 году обе команды объявили об открытии топ-кварка. Последняя частица Стандартной модели найдена – безусловно, самая тяжелая элементарная частица. Топ-кварк весит больше, чем атом золота, несмотря на то что он является точечной частицей, как и электрон. Время его жизни составляет всего полутриллионную триллионной доли секунды (5 × 10–25 секунд), после чего он распадается на следующий тяжелый кварк, боттом-кварк. Топ-кварк настолько недолговечен, что у него нет времени объединяться с другими кварками, поэтому, в отличие от других кварков, которые всегда объединяются, топ-кварк проводит свою невероятно короткую жизнь в одиночестве. И вот двадцатилетнее путешествие с момента открытия b-кварка в 1970-х годах в ипсилоне привело к знаменательному открытию его партнера – t-кварка, и это достижение попало в заголовки газет по всему миру.
Трудно переоценить сложность нахождения такой частицы, как топ-кварк, поскольку вероятность встретить его среди обломков столкновения частиц невероятно мала. Для этого физики-экспериментаторы должны были быть экспертами не только в практических экспериментах, но и в статистике и вычислительных методах. Это был совершенно иной набор навыков, чем у их коллег всего двадцатью годами ранее. В значительной степени виной тому то, что взаимодействия частиц вероятностны по своей природе, как диктует квантовая механика. Не все в эксперименте можно рассчитать вручную, и не было смысла проводить эксперимент, не способный найти топ-кварк или другие частицы и процессы, которые искали ученые, поэтому подготовка была необходима. Так как же все просчитать? Используя компьютерное моделирование, физики могут ввести всю известную теоретическую информацию и соответствующие вероятности, а затем использовать подход, известный как метод Монте-Карло, чтобы получить обзор статистических результатов эксперимента.
Название этого метода происходит от знаменитого «ложного вывода Монте-Карло», или ошибки игрока, в основе которого лежит идея о том, что, хотя одно событие может быть непредсказуемым, исход многих событий можно определить. История выглядит так.
В 1913 году в казино Монте-Карло в Монако шарик рулетки выпал на черное 26 раз подряд. Вероятность того, что это произойдет, составляет один к 66,6 миллиона, но вероятность выпадения черного при каждом вращении всегда одинакова – 50 %. С каждым новым вращением игроки считали, что в следующий раз наверняка выпадет красное. По мере того как количество вращений, выпадающих на черное, увеличивалось с 8, 9, 10 и более, они были настолько уверены, что на следующем вращении должно выпасть красное, что ставили миллионы франков. И все теряли. Единственный гарантированный способ не потерять деньги, делая ставки на такого рода статистические игры, – это продолжать увеличивать свою ставку каждый раз, когда вы проигрываете, так что при выигрыше вы возместите свои предыдущие потери. Это не только психологически чрезвычайно сложно, но и обычно не допускается в казино, поэтому размер ставки ограничивается и казино выигрывает.
Предсказуемые результаты вращений колеса рулетки вдохновили математиков, включая Станислава Улама и Джона фон Неймана, еще в 1946 году, когда Улам работал в Лос-Аламосе. Его команда столкнулась с проблемой, когда им нужно было рассчитать рассеяние нейтронов в определенном веществе. Они знали среднее расстояние, которое должен пройти нейтрон, прежде чем он ударится об атомное ядро, и знали, сколько энергии задействовано в столкновении, но, несмотря на это, не смогли вычислить ответ математически. Улам лежал в больнице, восстанавливаясь после операции, и пытался прикинуть шансы на удачную комбинацию, раскладывая пасьянс, когда ему в голову пришла идея: почему бы не провести целый ряд испытаний наподобие вращения колеса рулетки, подбрасывания монеты или раскладывания пасьянса и не подсчитать, что произойдет в каждом случае? Проследив результаты различных серий столкновений, определяемых известными вероятностями, для большого числа нейтронов, можно определить их общее рассеяние. Один из коллег Улама назвал этот метод методом Монте-Карло.
По мере роста вычислительной мощности эти методы становились все более и более точными. Общая идея состоит в том, чтобы избежать выполнения невероятно длинных – или даже невозможных – вычислений вручную и вместо этого выполнить большое количество случайных испытаний. Физика элементарных частиц была на передовой этих разработок, так что ко времени создания Тэватрона физики уже вовсю использовали сложные компьютерные технологии для моделирования методом Монте-Карло, проектирования детекторов, моделирования результатов экспериментов и многого другого.
Таким образом, физики-экспериментаторы могут создавать наборы данных, очень похожие на ожидаемые ими результаты эксперимента. Они могут разработать алгоритмы для анализа ожидаемых данных еще до того, как эксперимент будет осуществлен, что позволяет им проверить связанные с ним неопределенности и посмотреть, есть ли у эксперимента шанс получить статистически значимый результат (а учитывая то, как привередливо мы относимся к статистической значимости, это стоит того!). Если существует теоретическая модель частицы или взаимодействия, они могут даже сгенерировать искомый «сигнал» и спрятать его на фоне остальных, чтобы проверить, насколько успешно алгоритм анализа справляется с его поиском.
Столь сложная подготовка означает, что физики могут запустить свои алгоритмы анализа, как только у них появятся реальные экспериментальные данные, и проверить, отличны ли они от моделирования. Если да, тут налицо новое физическое явление. При подготовке эксперимента по обнаружению редких взаимодействий, например создание топ-кварка, это лучший метод, позволяющий гарантировать нахождение малых сигналов среди всех известных физических эффектов. Таким образом, среди бесчисленных миллиардов столкновений частиц в Тэватроне физикам удалось идентифицировать несколько десятков топ-кварков.
Такой высокий уровень статистической подготовки, которой владеют физики, может иметь некоторые необычные последствия. Однажды за выпивкой на конференции Ферми-лаба американские коллеги поделились со мной историей об одной конференции Американского физического общества 1986 года – крупнейшем собрании физиков в Соединенных Штатах. Организаторам пришлось в кратчайшие сроки найти новое место для проведения мероприятия на целых 4000 физиков. Естественно, они выбрали город, который проводит более 21 000 конференций в год, – Лас-Вегас. Вместо азартных игр физики предпочитали собираться за столами с бесплатной выпивкой, брать бумагу и ручки и проводить вычисления прямо во время разговора. Так, не сговариваясь, они коллективно совершили единственный ход, который гарантировал выигрыш: вовсе не стали играть в азартные игры. В результате отель пережил худшую финансовую неделю за всю свою историю. Конференция стала такой катастрофой для отеля, что в конце недели Лас-Вегас официально попросил их больше не возвращаться. История абсолютно правдива.
Но отложим фольклор в сторону. Статистическая грамотность и опыт, связанные с методом Монте-Карло, означают, что физики элементарных частиц чрезвычайно хорошо умеют моделировать процессы и системы за пределами физики, поэтому они пользуются большим спросом. Моделирование методом Монте-Карло используется повсюду: в прогнозировании погоды и финансовой сфере, в телекоммуникациях и инженерии, в вычислительной биологии и даже в юриспруденции. Многие мои знакомые со студенчества нашли работу в консалтинге, банковском деле, моделировании климатических изменений и эпидемиологии. Я помню, как многие мои друзья, перешедшие в эти области, выражали искреннее удивление тем, что уровень вычислительной и статистической подготовки их новых коллег ограничивался работой с простейшими электронными таблицами.
Тэватрон был амбициозным проектом во многих отношениях, но самое впечатляющее – это его влияние на технологию сверхпроводящих магнитов. Еще в 1940-х годах физики поняли, что сильные магниты могут выравнивать атомы водорода внутри человеческого тела и что, используя определенную последовательность магнитных полей и радиоволн, можно анализировать различные вещества внутри тела, включая расположение отдельных атомов водорода. Первоначально этот метод назывался «ядерный магнитный резонанс», или ЯМР, позже он был переименован в магнитную резонансную томографию, или МРТ. Когда этот метод был только разработан, не было способа создать достаточно сильные магнитные поля, которые доказали бы полезность и коммерческую жизнеспособность МРТ. Но Тэватрон все изменил.
Амбициозный проект Фермилаба создал спрос и предоставил знания, необходимые для промышленного производства высококачественной сверхпроводящей проволоки. Были задействованы два основных производителя: Intermagnetics General Corporation (IGC), поставлявшая 80 % проволоки, и Magnetic Corporation of America (MCA), на которую приходились оставшиеся 20 %. Другие поставщики стали появляться по мере приспособления физиками высоких энергий сверхпроводящих технологий для более широкого применения. В ЦЕРНе была разработана большая пузырьковая камера с использованием сверхпроводящих магнитов, а в области ядерной энергетики – большие устройства магнитного контроля, называемые токамаками, в которых также использовали сверхпроводящий провод. Рынок взлетел, и сверхпроводящие магниты стали доступны для широкого использования.
Сегодня коммерчески доступные МРТ-сканеры используются для получения изображений внутренних органов и тканей человеческого тела. Они дополняют компьютерную томографию, которую мы уже рассмотрели, но МРТ уникальна тем, что для получения изображений она не использует никакого ионизирующего излучения. Сегодня вы найдете такие сканеры в большинстве крупных больниц развитых стран, где они используются для более точного и раннего выявления многих видов рака, а также для получения изображений позвоночника, сердца, легких и других органов. В последние пять лет МРТ-сканеры даже были объединены с ускорителями для лучевой терапии (см. главу 10) в новое устройство – МР-линейный ускоритель, позволяющий с помощью выведения изображения проводить терапию и менять дозу лечения в зависимости от ежедневных изменений формы, размера и положения опухоли.
Помимо применения в больницах, множество МРТ-сканеров используется в исследовательских лабораториях. Метод функциональной МРТ способен показать, где в мозге протекает кровь, что указывает на области мозговой активности. Это способствовало революции в понимании работы мозга, природы сознания и формирования воспоминаний. Это также привело к открытию нейротоксинов, которые выводятся из нашего мозга во время сна, что может способствовать лучшему пониманию того, как можно помочь страдающим болезнью Альцгеймера.
В настоящее время мировой рынок МРТ-сканеров составляет 10 млрд долл. в год и постоянно растет. Одни только МРТ более чем доказывают первоначальный довод Боба Уилсона, когда он заявил перед Конгрессом, что Тэватрон приведет к появлению новых технологий. Хотя для того, чтобы это стало возможным, потребовались десятилетия исследований, сейчас инвестиции кажутся более чем оправданными. Конечно, физики из Фермилаба не могут претендовать на изобретение методов магнитно-резонансной томографии. Но без магнитных инноваций, необходимых для создания Тэватрона, сверхпроводящие технологии, применяемые теперь в больницах, могли бы и не стать реальностью.
Технология сверхпроводящих магнитов также была применена в областях, не связанных с ускорителями частиц и магнитно-резонансными томографами. Физики из Брукхейвена добились успеха благодаря своему патенту 1968 года на концепцию Маглева – транспортной технологии, которая использует сверхпроводящую магнитную левитацию и в настоящее время применяется в некоторых самых быстрых поездах в мире. Сверхпроводящие магниты также используются в производстве и передаче электроэнергии, экспериментальных термоядерных реакторах и системах хранения энергии. Как говорил Роберт Марш из корпорации Teledyne Wah Chang, ныне крупнейшего в мире поставщика сверхпроводящих сплавов, «каждая программа в области сверхпроводимости, существующая сегодня, в какой-то мере обязана тому факту, что команда Фермилаба построила Тэватрон и он заработал».
Когда Тэватрон обнаружил топ-кварк, физикам в Соединенных Штатах пришлось проглотить горькую пилюлю. Несмотря на все успехи, теперь собственное правительство заставило их передать эстафету мировой известности в области физики высоких энергий Европе.
Пока Уилсон и Эдвардс изобретали Тэватрон в середине 1970-х годов, начали появляться теории, указывающие на новые идеи с привлекающими внимание названиями, такими как суперсимметрия, техницвет и теория струн. Все они были едины в предсказании того, что за пределами энергетической досягаемости Тэватрона можно найти что-то еще. Более того, в Стандартной модели – кульминации десятилетий исследований в области физики высоких энергий – все еще недоставало последнего кусочка. Стандартная модель предсказывала существование еще одной частицы, которое нужно было подтвердить или опровергнуть. Эта частица – бозон Хиггса, переносчик силы (со спином 0), частица, масса которой неизвестна. Леон Ледерман попытался подчеркнуть важность этого недостающего фрагмента головоломки, назвав его «частицей Бога».
Было понятно, в каком направлении движется физика высоких энергий. Все эти идеи требовали ускорителей, которые могли бы сталкивать частицы при энергиях, превышающих возможности Тэватрона. Но бюджет, который правительство США было готово выделить на эту авантюру, был ограничен и даже сокращался. Соединенные Штаты наблюдали, как Европа объединилась для строительства ЦЕРНа, где они только что начали рыть огромный туннель длиной 27 км, пересекающий Францию и Швейцарию, для размещения своей следующей машины. Чтобы обойти ЦЕРН, надо было объединить усилия по всему миру и создать то, что они назвали Всемирной лабораторией.
Леон Ледерман был убежденным сторонником создания новой машины с привлечением мировых партнеров, которые помогли бы оплатить ее строительство, и еще в 1976 году возникла идея создания коллайдера, в 20 раз более мощного, чем Тэватрон. Физики набросали кольцо длиной 87,1 км, сделанное из сверхпроводящих магнитов, для столкновения двух пучков с энергией 20 ТэВ, и назвали его Сверхпроводящим суперколлайдером (SSC – Superconducting Super Collider). Они заверили правительство, что этот проект вернет США лидерство в области физики высоких энергий. Проект такого масштаба принесет престиж и даже стимулирует местную экономику, создав, по оценкам, 13 000 рабочих мест. Фермилаб хотел разместить машину в Иллинойсе, но штат Техас выиграл тендер, и был выбран участок в Уоксахачи, в 48 км к югу от Далласа. Проект был одобрен в 1983 году, и к середине 1980-х бригады землекопов приступили к рытью огромных туннелей. Физик Рой Швиттерс из Техасского университета в Остине, который руководил экспериментом CDF, возглавил проект.
Тогда и начались проблемы. Чтобы взяться за такой крупный проект, Министерство энергетики попыталось навязать военно-промышленный стиль работы, который совсем не понравился ученым. Ученых обвинили в неумелом руководстве и неспособности контролировать бюджет и график. Доверие к ним пошатнулось. В 1987 году был проведен аудит проекта, после чего последовали горячие дебаты по поводу его высокой стоимости, оцениваемой в 4,4 млрд долл. Вложения в коллайдер составляют почти столько же, сколько и вклад NASA в Международную космическую станцию. Однако, в отличие от космической станции, SSC не соответствовал видению Всемирной лаборатории. Националистическая риторика ведущих физиков высоких энергий Соединенных Штатов завоевала благосклонность их правительства, но не понравилась глобальным партнерам, включая Канаду, Японию, Индию и Европу. Дела пошли совсем плохо, и ни одна из стран-партнеров не взяла на себя обязательство финансировать проект, за исключением обещания Индии выделить 50 млн долл.
К 1992 году Соединенные Штаты переживали спад в экономике, а бюджет проекта раздулся до 12 млрд долл. Советский Союз распался, так что, казалось, было мало причин доказывать превосходство США с помощью мегапроектов. Конгресс хотел покончить с новой машиной. Уже было вырыто 22,5 км туннеля, потрачено 3 млрд долл., построены здания для размещения ученых и мастерских. Были наняты две тысячи человек, сотни из которых – ученые, последовавшие замыслу грандиозного проекта и перевезшие свои семьи из разных стран, таких как Япония, Индия и Россия. Они считали, что такой масштабный и уже развивающийся проект не могут отменить. В последнюю минуту вмешался президент Билл Клинтон, попытавшийся спасти коллайдер, и заявил Конгрессу, что, закрыв проект, они положат конец более чем тридцатилетнему успеху фундаментальной науки.
Но ничего нельзя было поделать. Конгресс решил закрыть проект, и 1 октября 1993 года Клинтон с сожалением подписал акт, поставивший крест на мечте. Сверхпроводящий суперколлайдер остался не более чем частично отстроенным туннелем. Можно извлечь много уроков из неудачи SSC, но в моем видении главное тут – понимание того, что Большая наука не националистический инструмент доминирования на мировой арене. Сотрудничающие страны ожидали, что в таких масштабных начинаниях к ним будут относиться как к партнерам, а не как к младшим братьям и сестрам. Будь SSC действительно международной Всемирной лабораторией, как задумывалось изначально, возможно, все сложилось бы по-другому. Позже здания были приобретены химическим производителем Magnablend, и сегодня подземные туннели собирают дождевую воду. Ходят слухи, что некоторые предприниматели используют эти темные влажные помещения для выращивания органических грибов.
Несмотря на кончину своего преемника, Тэватрон все же показал себя замечательным проектом, который проложил путь сверхпроводящим ускорителям по всему миру. В результате последний кварк в Стандартной модели – топ-кварк – был найден. Пока его искали, физики из ЦЕРНа обнаружили тяжелые частицы W– и Z-бозоны, переносчики слабого взаимодействия, которые помогли укрепить Стандартную модель физики элементарных частиц. Наконец, в 2000 году Тэватрон обнаружил тау-нейтрино, завершив список частиц материи в Стандартной модели. Тем не менее все еще не хватало одного кусочка головоломки – бозона Хиггса.
Помимо этого недостающего элемента, теоретики и экспериментаторы оказались на перепутье: теоретики указывали на физику, выходящую за пределы Стандартной модели, а экспериментаторы были готовы исследовать даже самые труднодоступные частицы с помощью больших коллайдеров. Неужели теория всего наконец так близка? Нужен только правильный коллайдер, чтобы это выяснить. Экспериментаторы Тэватрона запустили программу поисков бозона Хиггса в 2001 году, но для многих других фокус переместился за океан, в Европу. В ЦЕРНе была сконструирована машина, основанная на сверхпроводящем наследии Тэватрона. Вот-вот оживет Большой адронный коллайдер.
