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

Чтобы пучок антипротонов обладал достаточной светимостью для успеха экспериментов на протон-антипротонном коллайдере, требуется, чтобы энергия антипротонов каким-то образом «сконцентрировалась» на уровне желаемой энергии пучка.

К счастью, голландский физик Симон ван дер Мер придумал, как этого добиться. Ван дер Мер окончил инженерный факультет Дельфтского университета технологии в 1952 году. Он несколько лет был сотрудником Philips в Голландии и в 1956 году поступил в ЦЕРН. В ЦЕРНе он занялся теоретическими аспектами ускорителей, в основном практическим применением теоретических принципов к сооружению и работе ускорителей и коллайдеров.

В 1968 году ван дер Мер провел несколько спорных экспериментов на ISR, но внутренний отчет о своих находках опубликовал лишь четыре года спустя. Причина задержки была простая: физика, которой он тогда занимался, казалась полным безумием. В своем отчете он написал: «В то время идея казалась бездоказательной, чтобы ее публиковать» [115] .

Его эксперименты 1968 года позволяли предположить, что действительно есть возможность сконцентрировать антипротоны с начальным распределением энергий в гораздо более узком диапазоне, необходимом, чтобы попасть в накопительное кольцо. В этом методе используется пикап – чувствительный электрод, который определяет антипротоны с энергией, не соответствующей желаемой энергии пучка, и посылает сигнал кикеру – электроду с другой стороны кольца, чтобы вернуть частицы «в строй». Пикап подает кикеру сигнал, как пастух овчарке. Получив команду, собака лаем сгоняет отбившихся овец в стадо, чтобы оно аккуратно вошло в загон.

115

Van der Mer. // Southworth B., Fraser G. // CERN Courier. 1983. November.

Ван дер Мер назвал метод стохастическим охлаждением. Слово «стохастический» означает случайность, а «охлаждение» говорит не о температуре пучка, а о случайных движениях и распределении энергий частиц, удерживаемых внутри его. Если повторить процесс много миллионов раз, пучок постепенно сольется и приобретет желаемую энергию. В 1974 году ван дер Мер провел еще несколько испытаний стохастического охлаждения на ISR. Результаты он получил скромные, но достаточные, чтобы считать, что принцип работает.

Между тем Карло Руббиа перестал переживать, что его обогнали физики ЦЕРНа и не дали первым открыть слабые нейтральные токи. Свою докторскую степень Руббиа получил в 1959 году в «Скуола нормале» итальянского города Пиза. Он работал над физикой мюонов в Колумбийском университете, а затем перебрался в ЦЕРН в 1961 году. В 1970-м его он получил место профессора в Гарварде и проводил там один семестр в году, а остаток времени в ЦЕРНе. За постоянные перелеты студенты окрестили его «профессор Алиталия» [116] .

116

Alitalia – крупнейшая итальянская авиакомпания.

Руббиа был упрямый и целеустремленный человек, известный среди коллег тяжелым характером [117] . Он твердо вознамерился никому не позволить обогнать себя в погоне за частицами W и Z.

Вместе с коллегами из Гарварда Руббиа в середине 1976 года представил Уилсону предложение превратить протонный синхротрон в Фермилабе на 500 ГэВ в про тонантипротонный коллайдер. Уилсон ему отказал, предпочитая сосредоточить усилия на том, чтобы заручиться поддержкой в пользу Тэватрона. Казалось, что метод стохастического охлаждения не сулит особых успехов. Если он не сработает, будет потеряно драгоценное время работы синхротрона. Уилсон согласился на эксперимент стоимостью полмиллиона долларов на небольшой установке, чтобы посмотреть, будет ли работать метод.

117

Мартинус Велтман написал о Руббиа: «Когда он был директором ЦЕРНа, он раз в три недели менял секретарей. Даже матросы на подводной лодке или эсминце во время Второй мировой задерживались дольше…» (см.: Veltman. P. 74).

Руббиа попросту обратился со своим предложением в ЦЕРН к тогдашнему генеральному директору ЦЕРНа Леону ван Хове и встретил там гораздо более приветливый прием. К июню 1978 года новые испытания стохастического охлаждения в ЦЕРНе дали весьма воодушевляющие результаты, и ван Хове был готов рискнуть. Это давало ЦЕРНу возможность открыть новые частицы, то есть добиться того, что уже несколько лет было прерогативой американских лабораторий. Кроме того, если бы ван Хове не согласился, Руббиа, скорее всего, обратился бы к Леону Ледерману, который возглавил Фермилаб после отставки Уилсона в феврале [118] . «Пожалуй, если бы ЦЕРН не купил идею Карло [Руббиа], он продал бы ее Фермилабу», – рассказал Дарьюла [119] .

118

Уилсон столкнулся с проблемами финансирования Фермилаба и в раздражении ушел в отставку. Как выяснилось позднее, Ледерман, досконально изучив все варианты в ноябре 1978 года, рассудил, что риски, связанные с использованием имеющихся установок в качестве протонантипротонного коллайдера, слишком велики. Он был не готов рисковать, в отличие от ван Хове, и решил использовать весь свой авторитет, чтобы снова попытаться получить финансирование для Тэватрона.

119

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

Руббиа получил разрешение сформировать команду физиков, которая бы спроектировала сложный детектор, необходимый для обнаружения W– и Z-частиц. Под него отвели большой участок под землей на территории ПСС, и поэтому коллаборацию назвали «Подземная зона 1», или UA1. В дальнейшем группа вырастет и включит в себя около 130 физиков.

Через шесть месяцев была сформирована вторая, независимая коллаборация UA2 под руководством Дарьюла. Эта группа была поменьше и включала примерно 50 физиков, которые должны были составлять дружескую конкуренцию UA1. Предполагалось, что детектор UA2 будет менее сложным (например, он не сможет обнаруживать мюоны), но тем не менее сможет независимо подтвердить открытия эксперимента UA1.

Протонный и антипротонный пучки с энергией 270 ГэВ соединятся в ПСС и придут в столкновение, достигнув общей энергии 540 ГэВ, что гораздо больше, чем требуется для обнаружения частиц W и Z.

В октябре 1982 года, после некоторых задержек, UA1 и UA2 наконец начали регистрировать данные. Ожидалось, что столкновения, в которых могут образоваться W– и Z-частицы, будут очень редкими, поэтому оба детектора были сконфигурированы так, чтобы реагировать только на определенные столкновения, удовлетворяющие запрограммированным критериям. Коллайдер должен был производить по нескольку тысяч столкновений в секунду в течение двух месяцев. При этом ожидалось лишь несколько событий, способных произвести W и Z.

Детекторные установки были запрограммированы так, чтобы регистрировать события с выбросом высокоэнергетических электронов или позитронов под большим углом к направлению движения пучка. Электроны с энергией до половины массы W будут признаком распада W^—– частиц. Высокоэнергетические позитроны будут свидетельствовать о распаде W+-частиц. Измеренное расхождение энергии (различие между энергией частиц, входящих в столкновение, по сравнению с энергией выходящих) будет сигналом одновременного образования нейтрино и антинейтрино, которые невозможно было обнаружить непосредственно.

Предварительные результаты были представлены на симпозиуме в Риме в начале января 1983 года. Руббиа, нервничая против обыкновения, объявил о том, что из нескольких тысяч миллионов наблюденных столкновений коллаборация UA1 установила шесть событий – кандидатов на распад W-частиц. Коллаборация UA2 установила четыре кандидата. Руббиа был несколько осторожен, но убежден: «Они выглядят как W-частицы и пахнут как W-час тицы, значит, это и есть W-частицы» [120] . «Он выступил эффектно, – писал Ледерман. – У него были все карты на руках, и он сумел выложить их страстно и логично» [121] .

120

Rubbia K. // Southworth B., Fraser G. // CERN Courier. 1983. November.

121

Lederman. P. 357.

20 января 1983 года физики ЦЕРНа набились в аудиторию, где Руббиа проводил семинар по UA1, а Луиджи ди Лелла – по UA2. 25 января прошла пресс-конференция. Коллаборация UA2 предпочитала не торопиться с выводами, но выводы не заставили себя долго ждать. W-частицы найдены, их энергия близка к предсказанным 80 ГэВ.

Об открытии частицы Z⁰ с массой около 95 ГэВ группой UA1 объявили 1 июня 1983 года. Оно основывалось на наблюдении пяти событий – четырех с образованием электрон-позитронных пар и одного с образованием мюонной пары. Коллаборация UA2 к тому времени накопила несколько событий-кандидатов, но предпочитала подождать итогов другого круга экспериментов, прежде чем объявить о них во всеуслышание. В конце концов UA2 сообщила о восьми событиях с образованием электрон-позитронных пар.