Принцип эксперимента. 12 главных открытий физики элементарных частиц - Сьюзи Шихи

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[261]. 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[262] 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