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.
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].
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].
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.
К концу 1983 года UA1 и UA2 в сумме зарегистрировали сотню W±-событий и дюжину Z0-событий, установив массы порядка 81 ГэВ и 93 ГэВ соответственно.
Руббиа и ван дер Мер разделили Нобелевскую премию по физике за 1984 год.
Это был долгий путь, начавшийся с эпохальной работы Янга и Миллса 1954 года по квантовой теории поля SU(2) для сильного взаимодействия. Эта теория предсказала безмассовые бозоны, которые так раздосадовали Паули. В 1957 году Швингер размышлял о том, что слабое ядерное взаимодействие переносят три частицы поля, и потом его студент Глэшоу обратился к теории поля Янга – Миллса SU(2), чтобы учесть в ней все три частицы.
Открытие механизма Хиггса в 1964 году показало, каким образом безмассовые бозоны могут приобретать массу. Вайнберг и Салам пошли дальше и в 1967–1968 годах применили механизм Хиггса к нарушению электрослабой симметрии. В 1971 году было показано, что получившаяся теория поддается перенормировке. И теперь переносчики слабого взаимодействия найдены именно там, где их и ждали увидеть.
Само существование W– и Z-частиц с предсказанными массами дало довольно убедительное свидетельство, что электрослабая теория SU(2) × U(1) в сути своей верна. А если теория верна, то взаимодействие с вездесущим энергетическим полем (полем Хиггса) отвечает за сообщение массы переносчикам слабого взаимодействия. А если поле Хиггса существует, значит, должен существовать и бозон Хиггса.
Однако, чтобы найти бозон Хиггса, требовался коллайдер еще мощнее.
8Глубокий пас
Глава, в которой Рональд Рейган горой стоит за сверхпроводящий суперколлайдер, но, когда шесть лет спустя конгресс закрывает проект, от него остается только яма в Техасе
Опыт, который приобрели физики, работая над объединением теорий электрослабого взаимодействия, они могли применить к более грандиозной задаче. Из теории электрослабого взаимодействия вытекало, что вскоре после Большого взрыва температура Вселенной была так высока, что слабое ядерное и электромагнитное взаимодействия были неразличимы. Вместо этого существовало единое электрослабое взаимодействие, переносчиком которого были безмассовые бозоны.
Это так называемая электрослабая эпоха. Когда температура Вселенной снизилась, фоновое поле Хиггса «кристаллизовалось», и более высокая калибровочная симметрия электрослабого взаимодействия была нарушена (или, вернее сказать, скрыта). Безмассовые бозоны электромагнитного взаимодействия (фотоны) беспрепятственно продолжали движение, но бозоны слабого взаимодействия вступили во взаимодействие с полем Хиггса, приобрели массу и стали W– и Z-частицами. И вследствие этого слабое ядерное и электромагнитное взаимодействия сейчас совсем не похожи друг на друга ни силой, ни масштабом.
В 1974 году Вайнберг, американский теоретик Ховард Джорджи и австралийка Хелен Куинн показали, что силы всех трех взаимодействий становятся почти равными при энергии между сотней миллиардов и сотней триллионов ГэВ[122]. Эти энергии, соответствующие температуре примерно 10 октиллионов (1028) градусов, преобладали в течение примерно одной стодециллионной (10–35) доли секунды после Большого взрыва.
Разумно предположить, что в эту эпоху Великого объединения сильное ядерное и электрослабое взаимодействия были также неразличимы и представляли собой единое электроядерное взаимодействие. Все переносчики взаимодействия были идентичны, и не было ни массы, ни электрического заряда, ни аромата кварков (верхних, нижних), ни цвета (красного, зеленого, синего). Чтобы нарушить эту симметрию еще более высокого порядка, требовались хигг совские поля, кристаллизующиеся при более высоких температурах и таким образом приводящие к отделению кварков, электронов и нейтрино друг от друга, а также разделению взаимодействия на сильное и электрослабое.
Один из первых примеров такой теории великого объединения[123] (ТВО) разработали Глэшоу и Джорджи в 1974 году. В ее основе лежала группа симметрии SU(5), по их словам «калибровочная группа мира»[124]. Одним из следствий симметрии более высокого порядка было то, что все элементарные частицы были гранями друг друга. Теория Глэшоу и Джорджи позволяла преобразования между кварками и лептонами. То есть кварк внутри протона мог трансформироваться в лептон. «Тогда я понял, что это делает протон, базовый элемент атома, нестабильным, – сказал Джорджи. – У меня сразу испортилось настроение, и я пошел спать»[125]