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

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»[230].

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[231]. 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[232]. 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