Замышляемый ими эксперимент напоминал тот, который мы уже видели, когда Гейгер и Марсден отражали альфа-частицы от золотой фольги, выясняя, есть ли у атома ядро. Чтобы узнать, есть ли у протонов и нейтронов подструктура, охотники за кварками конца 1960-х годов решили использовать почти такой же метод. Электроны с энергией 20 ГэВ могли проникнуть глубоко внутрь протонов и нейтронов. Если внутри есть какие-либо кварки, электроны разлетятся в результате столкновения, а их углы и энергии можно будет использовать для восстановления того, с чем они взаимодействовали[233].
Если вы сегодня поедете по межштатной автомагистрали 280, на полпути между Сан-Франциско и Сан-Хосе вы проедете прямо по двухмильному ускорителю. Когда его строили, туннель, в котором находится ускоритель, считался самым длинным зданием в Соединенных Штатах[234]. Внутри располагается клистронная галерея, полная мощных радиочастотных устройств, изобретенных Хансеном и братьями Вариан. Генерируемая ими энергия передается на несколько метров под землей в точно обработанные медные резонаторы, из которых состоит линейный ускоритель электронов. Внутри электроны разгоняются на волнах, пока не достигнут 20 ГэВ[235], двигаясь со скоростью 99,9999999 % от скорости света.
Когда в конце 1960-х годов все было готово, в конце ускорителя электронные пучки изгибались и направлялись по трем линиям в два экспериментальных зала, где они попадали – или, точнее, рассеивались – в мишень, сделанную из жидкого водорода, богатого протонами. Затем рассеянные электроны проходили через устройство, называемое магнитным спектрометром, которое измеряло энергию электронов, изгибая их в магнитном поле. Спектрометр был самым большим научным прибором своего времени, длиной 50 метров и весом 3000 тонн. При этом он был подвижен и установлен так, чтобы поворачиваться вокруг цели и проводить измерения под разными углами.
В 1967 году Кендалл, Тейлор и Фридман начали проводить эксперименты с большим спектрометром и двумя поменьше. Что они ожидали увидеть? Несмотря на амбиции найти кварки, большинство физиков все же считали, что их не существует и что протон и нейтрон имеют своего рода мягкую внутреннюю структуру. Ожидалось, что меньше электронов будет рассеиваться по мере увеличения угла наклона спектрометра. Любое отклонение от этого может указывать на наличие кварков – или чего-то еще – внутри. В ходе эксперимента были собраны данные для создания распределения вероятностей, и команда принялась внимательно изучать результаты и их интерпретировать.
Ожидания и результаты эксперимента расходились невероятным образом[236]. Сначала было не совсем ясно, что результаты свидетельствуют о наличии кварков, но, похоже, они правда свидетельствовали о какой-то структуре внутри протона. Теоретики, включая Ричарда Фейнмана и Джеймса Бьёркена, для описания найденных сущностей придумали название «партоны». Во многом все происходящее напоминало эксперимент с золотой фольгой, только на этот раз физики проникли еще глубже в сердце материи: протоны не были фундаментальными частицами, и результаты, казалось, доказывали, что партоны – предположительно, тип частиц – были похожи на точки, точечноподобны. Что значит «точечноподобна» в отношении частицы? Так же, как и в случае с электроном, это означает, что частица настолько мала, что ее невозможно измерить. Как позже вспоминал Джером Фридман, «это была очень странная точка зрения. Она настолько отличалась от того, что предполагалось в то время, что мы не хотели обсуждать результаты публично»[237].
В течение следующих нескольких лет Фридман, Кендалл и Тейлор продолжали собирать данные под разными углами спектрометра и провели второй раунд экспериментов с использованием жидкой дейтериевой мишени для сбора сравнительных данных для нейтрона[238]. Имея достаточно доказательств, они могли быть уверенными в своих результатах: партоны действительно были кварками, точечноподобными объектами, образующими структуру протонов и нейтронов. Теперь мы можем сказать, что протон состоит из трех кварков, двух верхних и одного нижнего, а нейтрон – из одного верхнего и двух нижних. Последним кусочком головоломки было подтверждение идеи о том, что кварки обладают дробными электрическими зарядами. Сравнили рассеяние электронов с аналогичными данными из ЦЕРНа, где использовали (электрически нейтральные) нейтрино, которые дали физикам информацию об электрических зарядах, участвующих во взаимодействии. У кварков правда дробные заряды.
Дальнейший анализ данных выявил еще более необычную информацию о протонах и нейтронах, чем тот факт, что внутри них были кварки. Каждый протон или нейтрон состоит примерно из равных частей кварков и нейтральных глюонов – безмассовых частиц и переносчиков сильной взимодействия, которые «склеивают»[239] кварки вместе, – это во многом похоже на то, как фотон переносит электромагнитную силу. Три основных кварка в протоне и нейтроне называются валентными кварками. Вокруг них – «море» кварк-антикварковых пар, которое также обнаружилось в данных, полученных в результате рассеяния при низких энергиях. Протон и нейтрон следует рассматривать полностью с точки зрения как массы, так и взаимодействий, включая как морские кварки – верхние, нижние и странные пары «кварк – антикварк», – так и валентные кварки.
В 1970-х годах физики начали понимать необычные свойства сильного взаимодействия, которое связывает кварки вместе. Оно относительно слабо на коротких расстояниях, но чрезвычайно сильно на больших, словно эластичная лента, удерживающая кварки вместе. Когда кварки находятся рядом друг с другом, они могут двигаться с относительной свободой, но стоит их разлучить, как против вас восстанет свойство, называемое конфайнментом (удержанием). Оно удерживает кварки внутри протона и нейтрона до такой степени, что если вы попытаетесь разделить их, то вложенная вами энергия просто создаст новую пару «кварк – антикварк». Странным результатом этого становится то, что мы попросту не можем наблюдать кварки поодиночке. Вот почему Кендалл, Тейлор и Фридман добились успеха там, где другие не смогли: они нашли способ наблюдать кварки в их замкнутом состоянии внутри протонов и нейтронов.
Сильное взаимодействие также отвечает за удержание нейтронов и протонов внутри атомного ядра, причем неявным образом. На больших расстояниях его часто называют остаточным сильным взаимодействием. Подробное описание того, как именно взаимодействуют кварки, изложено в теории, называемой квантовой хромодинамикой, или КХД, которая помогает понять, как удерживается атомное ядро.
Согласно КХД, кварки несут заряд (аналогичный электрическому заряду), называемый цветовым зарядом. Всего их три типа: красный, зеленый и синий, хотя они не имеют никакого отношения к привычному пониманию цвета. Цветовой заряд антикварков, соответственно, антикрасный, антизеленый и антисиний. И когда кварки объединяются в частицы, наложение их цветов делает частицу «бесцветной». Синий, красный и зеленый в сочетании бесцветны, поэтому, если кварки внутри протона синие, красные и зеленые, эта частица, следовательно, «разрешена». Пион состоит из кварка и либо верхнего, либо нижнего антикварка, в синем и антисинем, красном и антикрасном или зеленом и антизеленом сочетании.
Протоны и нейтроны внутри ядра в целом бесцветны, но кварки внутри них оставляют небольшой остаточный эффект сильного взаимодействия, которое каким-то чудесным образом удерживает их вместе. Все это кажется незначительной деталью, но на самом деле не так тривиально: без остаточного сильного взаимодействия ядра атомов были бы нестабильны, и материя в том виде, в каком мы ее знаем, не существовала бы.
Чтобы это выяснить, ушло некоторое время, но что совершенно ясно после экспериментов Фридмана, Кендалла и Тейлора, так это то, что кварки правда существуют[240]. Дни, когда протоны и нейтроны считались фундаментальными строительными блоками атомов, прошли.
Открытие кварков стало возможным благодаря линейному ускорителю, который сам по себе родился благодаря клистронам и магнетронам, а они, в свою очередь, были созданы для обеспечения мощной радиолокационной технологии. Хансен и братья Вариан не могли и предположить конечный результат своих исследований. Взаимосвязи между фундаментальной и прикладной наукой, промышленностью и открытиями обычно представляют собой отдельные истории, рассказанные учеными и предпринимателями. Истории об открытиях мы узнаём от физиков, а об инновациях и коммерческом успехе – от предпринимателей, но почему-то забываем о существующем между ними симбиозе. Как мы видим, он может привести к непредсказуемым результатам, и эта история не ограничивается кварками.
Когда мы в последний раз встречались с братьями Вариан, они основали свою компанию в том месте, которое впоследствии станет Кремниевой долиной. Вскоре они начали продавать электронные LINAC, чье применение не ограничивалось физикой, и линейные ускорители принесли небывалые изменения в медицину, безопасность и промышленность. Сегодня название Varian почти синонимично технологиям линейных ускорителей, и продукт, который может понадобиться каждому восьмому жителю планеты, – это аппарат для лучевой терапии LINAC.
В 1954 году врач Генри Каплан услышал о разработке ускорителей в Стэнфорде и отправился туда с целью создать устройство для лечения рака[241]. Во время обеда Каплан обсудил свой план с Эдом Гинзтоном, и их активное сотрудничество привело к разработке первого медицинского линейного ускорителя в Соединенных Штатах. Электронная машина с энергией 6 МэВ была впервые использована в 1956 году в Стэнфорде в лечении двухлетнего мальчика с опухолью глаза. Пациент был выписан уже без опухоли, зрение сохранилось. Каплан настаивал на обучении радиологов новому типу терапии, и спрос на ускорители в больницах начал расти.