К 1974 году все заработало и все три экспериментальные области могли принимать луч в одно и то же время. Энергия «Главного кольца» была увеличена с 200 ГэВ до 400 ГэВ в 1975 году, а затем – до 500 Гэ В. Каждая точка выхода луча из кольца была разделена еще на три части, обеспечив в общей сложности девять лучей от одного ускорителя. Когда машина была готова к использованию, можно было сосредоточить внимание на экспериментах.
В основном эксперименты сосредотачивались на нейтрино, мезонах и протонах соответственно. По большей части эксперименты разрабатывались и проводились университетскими учеными, а не собственными сотрудниками лаборатории. Отчасти это было связано с бережливостью Уилсона. Чтобы сэкономить, он решил, что экспериментаторы будут отвечать за свои собственные участки, и им просто предоставят «яму» – буквально яму с земляным полом, вырытую в земле для защиты от радиации, – в комплекте со стенами из гофрированного железа и крышей. Очевидно, что эстетический план Уилсона не распространялся на удобство пользователя. Университетские ученые чувствовали несправедливое отношение к себе, поскольку условия работы в Фермилабе были куда суровее в отличие от сравнительно шикарных лабораторий SLAC или ЦЕРН[253].
Несмотря на крайнюю некомфортность экспериментальных ям, Уилсон знал, что создает самый высокоэнергетический пучок в мире и физики будут стучать в его двери. И, конечно же, тут он не ошибся. К 1976 году лаборатория получила предложения от более чем 120 исследовательских центров, включая сотрудников из Канады, Европы и Азии. Более половины из 500 предложенных экспериментов были одобрены, и к 1978 году многие из них были завершены. Одним из первых экспериментаторов был харизматичный физик из Колумбийского университета Леон Ледерман.
С момента основания Фермилаба Ледерман был защитником и сторонником этой лаборатории. Он соответствовал представлению Уилсона об идеальном экспериментаторе – амбициозном, но готовом адаптироваться. Там, где Уилсон был ковбоем, Ледерман был городским пройдохой. Родившийся в Нью-Йорке в семье украинско-еврейских иммигрантов, в колледже он выбрал физику, когда друг убедил его в ее великолепии за долгим вечерним пивом. Он научился выбирать важные физические проблемы, что привело его к совместному открытию мюонного нейтрино в 1962 году. С этого начались его эксперименты в Фермилабе.
Ледерман и другие знали о двух существующих поколениях частиц, которые можно было бы сгруппировать в лептоны, состоящие из электрона и его более тяжелого родственника мюона, вместе с электронным нейтрино и мюонным нейтрино. И о поколениях кварков: первое поколение состоит из верхних и нижних кварков, и потому казалось разумным, что у странного кварка тоже должен быть свой «партнер», названный очарованным кварком, которые вместе составят второе поколение. Такое предложение было выдвинуто теоретиками в 1970 году и первоначально мотивировано эстетическими соображениями. Но в дальнейшем это помогло решить некоторые технические проблемы в уравнениях.
К тому времени, когда заработало «Главное кольцо», Ледерман уже упустил возможность открыть очарование. Оно был найдено в 1974 году почти одновременно в Брукхейвене и SLAC в виде частицы J/Ψ (читается как «джей-пси», где пси – греческая буква Ψ)[254]. Но на этом сюрпризы природы не закончились. Как мы видели в конце предыдущей главы, в 1975 году исследователи из SLAC обнаружили еще более тяжелую версию электрона и мюона – тау-лептон. У Ледермана появилась новая мотивация: если существует третье поколение лептонов, тогда почему бы не существовать и третьему, более тяжелому поколению кварков?
Ледерман запросил себе рабочее место для проведения нового эксперимента, названного, по его предложению, «Эксперимент 288» (E288), в ходе которого он собирался использовать электронные детекторы для поиска пар мюонов, являвшихся ожидаемой сигнатурой короткоживущей тяжелой частицы. Целью ученого было найти частицы, содержащие еще более тяжелые кварки, чем обнаруженные до сих пор верхние, нижние, очарованные и странные. Когда его предложение было принято, а эксперимент подготовлен, пучок протонов с энергией 500 ГэВ был направлен из «Главного кольца» к их яме, где команда собирала данные о каждой паре мюонов, которые она обнаружила. Чтобы проанализировать результаты, ученые суммировали энергию каждой пары мюонов и обозначали их точками на гистограмме. Пик или любая выпуклость на этой гистограмме будет свидетельствовать о появлении новой частицы.
К 1976 году обнаружился пик в области 6 Гэ В. Несмотря на то что количество событий было небольшим, вероятность того, что эти события были статистическим отклонением, составляла всего 2 %. Команда пошла дальше и опубликовала статью, в которой сообщалось о совершенно новой частице, названной ипсилоном, что они интерпретировали как «величественная частица»[255]. Затем случилось немыслимое. По мере того как они собирали больше данных, пик, показывающий ипсилон, исчез, поглощенный фоновым шумом случайных событий. Частицы с массой 6 ГэВ все-таки не было.
Это был жестокий урок статистики и одна из причин, по которой сегодня общепринятым стандартом для объявления об открытии новой частицы физики называют «правило 5 сигм». То есть вероятность получения случайного результата составляет менее одного шанса на 3,5 миллиона[256]. Ни в одной другой области науки не применяется такой невероятный стандарт. Например, если у вас диагностировали заболевание и врач сказала, что она на 95 % уверена, что данные клинических испытаний для предложенного лечения верны, вы примете лекарство, верно? Но физики элементарных частиц не посчитают это достаточным доказательством. Работая над такими длительными и крупными проектами, физики элементарных частиц хотят быть уверенными, что они не обманывают себя насчет того, что реально, а что нет.
Ледерман воспринял неудачу с юмором, даже после того, как его коллеги переименовали несуществующую частицу в УпсЛеон в его честь. Команда E288 вернулась к своему эксперименту весной 1977 года и начала собирать новые данные. Когда пик возник примерно на 9,5 ГэВ всего через семь дней, один из физиков, Джон Йо, воскликнул: «Что, черт возьми, происходит?!» Но, как того требовала традиция, он на всякий случай поставил в холодильник бутылку шампанского с надписью «9,5».
Но теперь они не спешили делать объявление. Они были полны решимости полностью удостовериться в том, что эта новая частица, образующаяся один раз на каждые 100 миллиардов протонов, сталкивающихся с мишенью, не случайна. Они приготовились собрать больше данных. В 11 часов вечера 20 мая произошел сбой в проводке устройства для измерения тока на магните. Кабель нагрелся, расплавился, а затем поджег соседний кабельный лоток. Вскоре зал наполнился едким дымом. Команда запаниковала.
Прибывшая пожарная бригада быстро все потушила, но команда встревожилась еще сильнее: вода, которой тушили возгорание, в сочетании с газообразным хлором, выделяемым в воздух огнем, образовала кислоту, которая начала разъедать электронные компоненты оборудования. Если они не смогут остановить коррозию, они никогда не соберут достаточно доказательств, чтобы объявить о новой частице. Отчаявшись спасти эксперимент, Ледерман вызвал голландского эксперта, который прибыл через 72 часа с ведрами секретного чистящего раствора. Все члены команды E288, сотрудники протонного отдела, мужья и жены, друзья и секретари присоединились к физикам на производственной линии, помогая им очистить 900 печатных плат под пристальным наблюдением эксперта.
Когда эксперимент был спасен, пять дней спустя они снова начали сбор данных. Пик на 9,5 ГэВ продолжал появляться. Масса новой частицы примерно в 10 раз превышала массу протона. Дважды – и трижды – команда перепроверяла свои результаты, но на этот раз они были абсолютно точны.
15 июня 1977 года они созвали семинар в аудитории Фермилаба и объявили, что у них правда получилось: команда E288 обнаружила совершенно новую частицу с энергией 9,5 ГэВ – самую тяжелую частицу, когда-либо обнаруженную, и первую, обнаруженную в Фермилабе. Ее вновь назвали ипсилон, но на этот раз название прижилось. В честь знаменательного открытия была выпита 9,5-литровая бутылка шампанского, и Фермилаб прочно вошел в историю как лаборатория экспериментальных открытий.
Согласование новых экспериментальных данных с развитием теории не заняло много времени. Оказалось, что ипсилон представляет собой комбинацию b-кварка и анти-b-кварка, название которых расшифровывается как боттом-кварк, или прелестный кварк, в зависимости от того, кого вы спросите. Новый тяжелый b-кварк был предсказан еще в 1973 году японскими теоретиками Макото Кобаяси и Тосихидэ Маскавой, а названия «топ-кварк» и «боттом-кварк» были придуманы в 1975 году израильским физиком Хаимом Харари. Несмотря на возрастающую сложность физики элементарных частиц, ипсилон еще раз подтвердил, что в основе природы лежит простота и симметрия. Всего было шесть лептонов (электрон, мюон, тау и их нейтрино) и шесть кварков (верхний, нижний, странный, очарованный, боттом (прелестный) и топ (истинный)).
Оглядываясь назад, можно сказать, что ипсилон был, как сказал Ледерман, «одним из самых ожидаемых сюрпризов в физике элементарных частиц»[257]. Теперь, когда стало известно, что существует боттом-кварк, стоило предположить, что есть и его тяжелый партнер, топ-кварк. Хотя физики пока не понимали, насколько он должен быть тяжелым, поскольку теория этого не говорила, следующие эксперименты в Фермилабе были предопределены. Начались поиски шестого – и последнего – кварка.
Фермилаб соответствовал видению Уилсона как национальное и международное учреждение, но Уилсон на этом не остановился. Он всегда смотрел далеко за пределы этой первой стадии. К открытию ипсилона у Фермилаба был уже не самый большой ускоритель в мире: пальма первенства перешла ЦЕРНу, построившему кольцо длиной 7 км под названием Протонный суперсинхротрон с энергией 450 Гэ В. Уилсон и Эдвардс гордо их обогнали, достигнув 500 ГэВ с немного меньшим по размеру «Главным кольцом», но теперь Уилсон раскрыл план,