Бозон Хиггса. От научной идеи до открытия «частицы Бога»

Но к весне 1977 года были накоплены убедительные данные в пользу даже еще более тяжелого варианта электрона, который назвали тау-лептоном. Однако это было не то, что хотели услышать физики.

Тау-лептону требовалось тау-нейтрино, и неизбежно стали возникать гипотезы, что на самом деле это три поколения лептонов и кварков. Американский физик Леон Ледерман из Фермилаба обнаружил ипсилон в августе 1977-го. Это мезон, состоящий из прелестного кварка (b-кварка), уже известного на тот момент, и его антикварка. Имея массу около 4,2 ГэВ, прелестный кварк представляет собой более тяжелый, относящийся к третьему поколению вариант нижнего и странного кварков с зарядом —¹/₃. Предполагалось, что последний представитель третьего поколения – истинный кварк – еще тяжелее и будет найден, когда будут построены коллайдеры, способные достигать необходимой энергии столкновения.

Хотя третье поколение лептонов и кварков проявилось довольно неожиданно, оно очень легко встроилось в Стандартную модель (см. рис. 18). На симпозиуме в Фермилабе в августе 1979 года были представлены данные о так называемых струях кварков и глюонов, полученных в экспериментах по электрон-позитронной аннигиляции. Это направленные всплески адронов, возникающие в процессе образования пары кварк – антикварк, причем один из кварков также «высвобождает» энергетический глюон. Эти характерные «трехструйные» события самым поразительным образом продемонстрировали кварки и глюоны.

До сих пор не хватало истинного кварка, как и непосредственных данных о W– и Z-частицах, переносчиках слабого взаимодействия. Когда Стандартная модель стала общепринятой, Глэшоу, Вайнберг и Салам узнали, что им собираются вручить Нобелевскую премию по физике 1979 года за их работу над единой электрослабой теорией.

Теперь соревнование шло за то, кто первым соберет все частицы и закончит коллекцию. В своей Нобелевской лекции Вайнберг объяснил, что электрослабая теория предсказывает массы W– и Z-частиц примерно на уровне 83 ГэВ и 94 ГэВ соответственно [112] .

112

Если взять массу протона равной 938 МэВ, то эти массы соответственно в 88 и 100 раз больше массы протона.

Еще в июне 1976 года ЦЕРН ввел в действие свой протонный суперсинхротрон (ПСС) – 6,9-километровый кольцевой протонный ускоритель, способный генерировать энергию частиц до 400 ГэВ. За месяц до его пуска протонный ускоритель в Фермилабе превзошел эту энергию, достигнув 500 ГэВ. Но когда частицы разбиваются о неподвижные мишени, это приводит к значительным потерям, поскольку отскакивающие частицы забирают энергию. В установках такого вида энергия, которую можно было бы направить на создание новых частиц, растет только как квадратный корень из энергии частицы в пучке.

Рис. 18

Стандартная модель физики элементарных частиц описывает отношения трех поколений материальных частиц через три вида взаимодействий, переносимых частицами поля, называемых также переносчиками взаимодействий

Следовательно, столкновения частиц, даже ускоренных до такой энергии, на которую был способен ПСС или ускоритель в Фермилабе, могли дать новые частицы только гораздо меньшей энергии. Чтобы достичь энергии, предсказанной для W– и Z-частиц, понадобится гораздо более мощный ускоритель, чем любой из уже построенных.

Был и другой выход. Идея столкновения пучков ускоренных частиц развивалась в 1950-х годах. Если пустить ускоренные частицы по двум связанным кольцам в противоположных направлениях, тогда можно привести пучки в лобовое столкновение. Тогда всю энергию ускоренных частиц можно было бы направить на создание новых частиц.

Такие коллайдеры [113] впервые были сконструированы в 1970-х годах. SPEAR стал одним из первых, но в нем происходили лобовые столкновения между лептонами (электронами и позитронами). В 1971 году ЦЕРН закончил сооружение накопительного кольца со встречными пучками ISR, адронного (протон-протонного) коллайдера, где в качестве источника ускоренных протонов использовался протонный синхротрон на 26 ГэВ. Протоны сначала ускорялись в синхротроне, потом поступали в ISR, где и сталкивались. Однако максимальной энергии столкновения – 52 ГэВ – было недостаточно, чтобы обнаружить W– и Z-частицы.

113

От англ. collide – сталкиваться. (Примеч. пер.)

В апреле 1976 года в ЦЕРНе собралась исследовательская группа, чтобы дать заключение по поводу нового крупного проекта – строительства Большого электронпозитронного коллайдера (БЭП). Его предполагалось построить в 27-километровом кольцевом туннеле у Женевы под швейцарско-французской границей. Протонный суперсинхротрон должен будет разгонять электроны и позитроны до скоростей близких к скорости света и инжектировать их в кольцо коллайдера. Сталкиваться будут частицы (в данном случае электроны) и их античастицы (позитроны), циркулирующие в противоположных направлениях по одному кольцу. Исходная расчетная энергия составляла 45 ГэВ для каждого пучка, что в сумме даст энергию лобовых столкновений 90 ГэВ и подведет БЭП к самой границе энергий W– и Z-частиц.

У американского физика Роберта Уилсона, директора Фермилаба, были еще более грандиозные планы. Он хотел построить адронный коллайдер, способный достигать энергии столкновения 1 ТэВ (1000 ГэВ, тераэлектронвольт, или триллион электронвольт). В итоге он получит название Тэватрон. Такой коллайдер потребовал бы для ускорения частиц еще неиспытанных сверхпроводящих магнитов. И пока это было всего лишь предположение.

В такой ситуации находились физики, изучавшие высокоэнергетические частицы, в 1976 году. Церновский протонный суперсинхротрон мог разгонять частицы до 400 ГэВ, а ISR мог достигать энергии столкновения 52 ГэВ, но ни первого, ни второго не хватало для обнаружения W– и Z-частиц. БЭП в принципе мог бы их обнаружить, но он начнет работу только в 1989 году. Главное кольцо Фермилаба могло разгонять частицы до 500 ГэВ, чего все так же недоставало для обнаружения W– и Z-частиц. Тэватрон, теоретически способный достичь энергии столкновения в 1 ТэВ, еще не сошел с чертежной доски.

Физикам не хватало терпения ждать. «Потребность обнаружить W– и Z-частицы была так сильна, – вспоминает физик ЦЕРНа Пьер Дарьюла, – что даже самые терпеливые из нас были недовольны долгим проектированием, разработкой и строительством БЭПа. Возможность поскорее (и, хорошо бы, без загрязнения) взглянуть на новые бозоны была бы очень кстати» [114] . Терпение заканчивалось и у физиков Фермилаба.

Физикам по обе стороны Атлантики нужно было придумать, как с помощью имеющихся возможностей добраться до этого важнейшего уровня энергии.

114

Darriulat P. // Cashmore et al. P. 57.

Один возможный выход появился в конце 1960-х. В принципе ускоритель частиц можно было превратить в адронный коллайдер: пустить пучки протонов и антипротонов по кольцу ускорителя в противоположных направлениях. Тогда пучки можно было бы привести к лобовому столкновению. Протон-протонный коллайдер требовал двух пересекающихся колец, в которых пучки протонов движутся в противоположных направлениях, но протонантипротонные столкновения можно было устроить в одном кольце. Тогда можно было бы достичь энергии столкновений, которая вдвое больше энергии ускорителя.

Но это было не так просто. Антипротоны получаются в результате столкновения высокоэнергетических протонов с неподвижными мишенями (например, медными). Нужен миллион таких столкновений, чтобы получился единственный антипротон. Хуже того, возникающие антипротоны имеют широкий диапазон энергий, слишком широкий, чтобы попасть в накопительное кольцо. Лишь небольшая доля полученных таким образом антипротонов может «вписаться» в кольцо, что значительно уменьшит и интенсивность антипротонного пучка, и светимость пучка – это параметр количества столкновений, которые может дать пучок.