[182]. Знаменательно то, что впервые неизвестная частица была обнаружена с использованием ускорителя, а не космических лучей. Наконец, технология ускорителей достигла беспрецедентных энергий, и с гораздо более совершенными и надежными машинами физики начали выходить за рамки того, что им могли предложить эксперименты с космическими лучами. Ускорители частиц обеспечивали контролируемые условия, необходимые для того, чтобы собрать воедино сложную головоломку из частиц и сил. Единственная проблема заключалась в том, что 350 МэВ – это недостаточно высокая энергия, чтобы увидеть полную картину.
Энергетический диапазон ускорителя был решающим, потому что странные частицы оказались тяжелыми – их масса больше массы ранее открытых частиц, таких как мюон и пион. Эквивалентность между энергией и массой определяется уравнением Эйнштейна E = mc2 и настолько укоренилась в физике элементарных частиц, что мы даже используем единицы энергии для описания масс частиц. Нейтральный пион (π0), например, имеет массу 135 МэВ, что является его массой покоя – массой, измеренной в неподвижном состоянии, но выраженной в единицах энергии (МэВ). Эта эквивалентность между массами и энергиями частиц означает, что E = mc2 дает нам обменный курс между массой и энергией. Это абсолютно ошеломляющий курс, потому что c, скорость света, составляет 299 792 458 метров в секунду. В квадрате это число настолько велико, что я не осмелюсь его здесь записать. И это больше не теоретический обмен: с большими ускорителями это стало экспериментальной реальностью.
Создание ускорителей для достижения более высоких энергий уже не сводилось только к исследованию нейтронов и протонов в ядре. Чего хотели ученые, хотя в то время они не формулировали это таким образом, так это создать совершенно новые частицы из вакуума, из энергии. Поначалу это сбивает с толку. Основной принцип заключается в том, что мы бомбардируем мишень высокоэнергетическими частицами – в данном случае протонами. Первоначальные частицы исчезают, и вся эта энергия преобразуется в новые частицы, новую материю. Исходная частица просто перестает существовать – что противоречит представлениям классической физики, но допускается в квантовой механике.
Конечно, тут есть ряд правил: природа не позволит вам бомбардировать любую мишень любой частицей и производить все, что вам заблагорассудится. Должны соблюдаться определенные величины. Например, общая энергия частиц, вступающих в столкновение, должна быть такой же, как и при выходе. Когда вы ударяете пучком частиц в цель, большая часть этой энергии идет не на создание новых частиц, а уносится в виде кинетической энергии в обломках. Существуют и другие правила, регулирующие взаимодействия частиц, включая сохранение электрического заряда, момент импульса (частица может вращаться вокруг своей оси) и другие квантовые числа, но подробнее об этом позже. Сейчас важно то, что для создания странных частиц физикам из Беркли был нужен протонный пучок с более высокой энергией, чем когда-либо мог обеспечить циклотрон.
Перед Альваресом и Лоуренсом возникла новая большая цель: построить машину достаточно мощную, чтобы создавать все известные странные частицы, обнаруженные в космических лучах, и, возможно, даже более тяжелые. Для этого надо построить машину нового типа. Вместо циклотрона, для которого требовался один огромный магнит (магнит для циклотрона с энергией в 350 МэВ был настолько велик, что команда из 100 человек смогла легко сфотографироваться, сидя в его железном ярме), они собирались построить ускоритель, кольцо которого состоит из множества небольших магнитов. Команда из Беркли начала разрабатывать планы протонного синхротрона[183] – кольцеобразной машины, отличной от ранее существовавшего синхроциклотрона, – которая могла бы достигать тех же энергий, что и частицы, исходящие от космических лучей. Поскольку такой ускоритель мог достигать миллиардов электрон-вольт, диапазона ГэВ, название машины было соответствующим: ее назвали Беватрон[184].
Команда из Беркли была не одинока в своих амбициях. На Лонг-Айленде 11 университетов объединились для создания новой Брукхейвенской национальной лаборатории, и строительство их собственного протонного синхротрона уже шло полным ходом. В 1953 году они запустили Космотрон – 23-метровое кольцо медного цвета, состоящее из 288 магнитов, каждый из которых весит шесть тонн. Вершина промышленной красоты. Внутри всей этой меди и железа находилась вакуумная труба, в которой протоны разгонялись до 88 % от скорости света. Когда Космотрон достиг расчетной энергии в 3,3 ГэВ, он стал рекордсменом среди ускорителей, превзойдя циклотрон в Беркли почти в 10 раз.
Команда из Беркли не отставала, и в 1954 году, всего через год после запуска Космотрона, Беватрон с ревом ожил. Ошибиться тут было невозможно: огромный мотор-генератор ходил взад и вперед, наполняя бетонный зал воющими звуками. Беватрон был даже больше Космотрона, его ширина составляла 41 метр, а вакуумная труба была такой большой, что, как говорили, по ней можно чуть ли не проехать на автомобиле. Альварес и его коллеги – главный физик Эд Лофгрен и инженер Уильям Бробек – превзошли своих соперников, достигнув почти вдвое большей энергии, чем у Космотрона, и создав пучок протонов с рекордной энергией в 6,2 Гэ В.
Зачем строить два ускорителя вместо одного? Помимо географического расстояния между двумя лабораториями и сосредоточения исследовательских сообществ на Восточном и Западном побережье, причина в первую очередь заключалась в том, что правительство США приняло решение продолжить эксплуатацию крупных лабораторий, созданных во время войны, объединив человеческие и финансовые ресурсы для достижения великих научных целей. А создание новых лабораторий, таких как Брукхейвен, могло обеспечить, как считалось, здоровую конкуренцию.
Технологические достижения Второй мировой войны продемонстрировали, что команда физиков и инженеров с достаточными ресурсами может решать невероятно сложные теоретические и практические проблемы. Более того, они доказали свою способность работать в командах беспрецедентного размера и сложности – сотни ученых и инженеров и десятки тысяч других сотрудников, от строителей до пожарных, – для достижения одних из самых сложных целей, которые когда-либо перед собой ставило человечество. Такой подход поспособствовал развитию других амбициозных научных проектов, включая космическую программу США и Советского Союза. Отныне физике, особенно в Соединенных Штатах, был присвоен статус, которого не было ни у одной другой дисциплины.
Такая поддержка физики совпала с периодом огромного роста в Соединенных Штатах. Экономика процветала, принося новые потребительские товары, новые богатства и развивая пригороды. Уровень рождаемости вырос: только в 1946 году родились рекордные 3,4 миллиона младенцев. Государственный бюджет также расширился за счет инвестиций в дорожное сообщение между штатами, школы, военные операции и новые технологии, такие как компьютеры. В результате в 1950–1960-х годах физика элементарных частиц также пережила бум. Сами физики обрели чувство уверенности. Ответы на животрепещущие вопросы были почти у них в руках: что это за странные частицы, обнаруженные в космических лучах, и что можно узнать из них о Вселенной, о материи и о силах, которые связывают все воедино? У всех ли новых частиц есть их эквивалент в антивеществе? И есть ли во всем какой-то основополагающий порядок?
Эксперименты переросли университетские лаборатории и стали проводиться на национальных объектах, объединяющих большие группы людей в стремлении к общей цели. Альварес и Лоуренс были лишь двумя из многих физиков, участвовавших в этом изменении. Эксперименты, проведенные в этот период, были сосредоточены на больших ускорителях частиц, начиная с Беватрона и Космотрона, которые в конечном итоге должны были подавать частицы в новые детекторы, выдающие миллионы изображений для анализа. Даже значение слова «эксперимент» в лексиконе физиков поменяло свое значение.
Как мы уже видели, раньше исследователи сами создавали свое оборудование с нуля или, по крайней мере, управляли им самостоятельно. Эксперимент служил проверкой или испытанием идеи ученого. Но к 1950-м годам эксперимент подразумевал создание гигантского механизма, спроектированного одной группой, обслуживаемого инженерами-специалистами, управляемого преданным своему делу персоналом, а полученные результаты анализировались одной командой и интерпретировались другой. Несколько групп в рамках одного эксперимента могли искать ответы на совершенно разные вопросы, а ускорители, детекторы и другие части оборудования изменялись и совершенствовались по мере изобретения и внедрения новых технологий. Стало трудно сказать, где заканчивается один эксперимент и начинается другой.
Сегодня исследователи в области физики элементарных частиц привыкли к крупным лабораториям и международному сотрудничеству, но это не всегда было в порядке вещей. Только в середине ХХ века, в эпоху Большой науки, объединились технологические, политические, научные и личные факторы, подарив нам современный подход к физике элементарных частиц. В результате количество обнаруживаемых частиц резко возросло, а эксперименты стали так далеко опережать теорию, что потребовалось почти 20 лет, чтобы математически осмыслить основополагающий порядок.
Сидя перед пультами управления, заполненными циферблатами и счетчиками, операторы ускорителей доводили Космотрон (на Восточном побережье) и Беватрон (на Западном побережье) до полной мощности, а затем направляли луч на цель, создавая потрясающий источник редких частиц. Вскоре команды произвели и измерили все известные частицы космических лучей: пионы, мюоны, позитроны и странные частицы. Теперь можно было наблюдать не просто отдельные пионы при кропотливом анализе космических лучей, а генерировать устойчивый пучок пионов с большим количеством энергии и детально его анализировать. В 1953 году на Космотроне пионы запустили в облачную камеру, где, как будто по требованию, было обнаружено огромное количество странных частиц, а вскоре и Беватрон последовал примеру. Благодаря ускорителям физики заполучили скорость передачи данных, о которой первооткрыватели космических лучей могли только мечтать.