Хансен собрал команду в Стэнфорде, включая Эда Гинзтона и Марвина Чодороу, и к 1947 году они построили свой первый ускоритель на 6 Мэ В. В отчете финансирующему органу было всего три слова: «Мы ускорили электроны». Линейный ускоритель, или LINAC (акроним от англ. LINear ACcelerator), был намного меньше и легче существующих ускорителей. Незадолго до этого команда под руководством Луиса Альвареса из Беркли построила низкочастотный протонный ускоритель и с гордостью сфотографировала свою команду: на фото около 30 человек сидели бок о бок на своей (сравнительно огромной) машине. Когда Хансен узнал об этой фотографии, он схватил трех своих аспирантов и встал рядом с ними, с новым высокочастотным ускорителем электронов в одной руке. Длина ускорителя составляла менее двух метров: маленький, легкий, эффективный, почти образ будущего. Исследования Хансена и других ученых включали двусторонний поток инноваций: физики изобрели новые устройства – магнетрон и клистрон, которые нашли крупномасштабное применение в радарах, а затем индустриализация этих устройств помогла физикам реализовать собственные экспериментальные амбиции.
Хансен мечтал о гораздо более крупной машине: ускорителе электронов на миллиард вольт, который можно было бы использовать для исследования сил в ядре. В то же время 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 частиц. Ученые попытались найти кварки, используя протонный синхротрон и пузырьковую камеру, но ничего не добились. Кварки либо имели массу, превышающую ту, которую они могли создать, либо их не существовало. Либо происходило нечто иное.
Лаборатории с большими ускорителями протонов, похоже, не могли освободить кварки путем расщепления протона или нейтрона на части. Нужно придумать другой способ определить, существуют ли они. Но как это сделать? Так уж получилось, что новое оборудование в SLAC как раз обеспечивало необходимые условия для такой работы.
Ускоритель на 20 ГэВ появился на свет в 1966 году, задействовав несколько тысяч человек из Стэнфорда и других стран и компаний, а поиск кварков стал приоритетом номер один. Тогда же родилось сотрудничество SLAC с Массачусетским технологическим институтом, в котором участвовали, в частности, Генри Кендалл, Ричард Тейлор и Джером Фридман. Сторону SLAC возглавляли Кендалл и Тейлор. Кендалл, любитель активного отдыха, – физик родом из Бостона, а Тейлор, известный своим остроумием и юмором, – из канадской провинции Альберта. Фридман, художественно одаренный сын еврейских русских иммигрантов, представляющий Массачусетский технологический институт, был родом из Чикаго. Фридман ездил на работу в Калифорнию, где встречался с Кендаллом и Тейлором.