ложная электроника, которая была установлена везде, где могли произойти столкновения. Она улавливала и записывала появление этих первобытных образцов материи и антиматерии. В Большом электрон-позитронном коллайдере снова и снова повторялось давнее сотворение мира.
И все это было результатом способности производить и управлять пучками позитронов, которые выживали продолжительное время. Для работы аппаратуры требовалась такая точность, что оказалось, что на работу Большого электрон-позитронного коллайдера влияет движение Луны. Энергия разгоняемых частиц также зависела и от ряда других неожиданных факторов: уровня воды в Женевском озере и прибытия поездов на вокзал в Женеве. Ученые связали такую зависимость с деформациями кольца ускорителя, вызываемыми этими факторами. Но вначале они заметили, что в некоторые дни электроны и позитроны появляются чуть раньше, в другие разы они появлялись чуть позже в тех местах, где должно было происходить их взаимное уничтожение. Разница составляла меньше наносекунды, но Большой электрон-позитронный коллайдер смог ее уловить. То есть сначала они появлялись раньше, потом позже, а затем снова раньше – и для этого требовался цикл из двадцати восьми дней. И точно определив продолжительность цикла, ученые поняли, что машина, обладающая невероятной точностью, поразительно чувствительна. 28-дневный лунный цикл, который влияет на приливы и отливы, на океаны и моря, также влияет и на камни на поверхности Земли, хотя и в очень незначительном количестве. То есть все 27 километров Большого электрон-позитронного коллайдера расширялись и сужались на несколько миллиметров каждый месяц, так что в некоторые дни пучкам приходилось путешествовать чуть дольше, а через две недели их путь становился чуть короче. Не будем подробно рассматривать влияние поездов, прибывающих на Женевский вокзал, на работу коллайдера в этой книге, но оно тоже было отмечено!
В этих экспериментах участвовали сотни ученых со всего мира. Через десять лет экспериментов на Большом электрон-позитронном коллайдере было показано, как создавалась материя, когда возраст Вселенной составлял всего одну миллиардную долю секунды. Из «мини-взрыва» вышли частицы и античастицы, например, электрон и позитрон, или кварк и антикварк. Многие из них были известны до начала работы Большого электрон-позитронного коллайдера, но он позволил ученым лучше понять, в каком отношении друг к другу существуют эти различные формы частиц и античастиц. В дополнение к знакомым электрону и двум типам кварка, которые соединяются вместе для получения протонов, нейтронов и материи в той форме, которую мы знаем, есть и другие типы, редкие или вообще отсутствующие на Земле, но побывавшие в огненной буре в самом начале существования Вселенной.
Большой электрон-позитронный коллайдер позволил взглянуть на то, что представляла собой Вселенная, когда энергия застывала, превращаясь в материю и антиматерию. Возникло много сотен типов частиц и античастиц. Например, природе показалось, что одного электрона, как единственной возможной частицы, удаленной от ядра и находящейся у внешней границы атома, недостаточно, и она создала еще две более тяжелые версии. Это мюон, который в 200 раз тяжелее, и тау – в 4000 раз тяжелее. Они идентичны с электроном по электрическому заряду и, насколько мы можем судить, во всем другом, кроме массы. И так же как у электрона есть свой двойник – античастица под названием позитрон, так и у каждой из упомянутых других частиц тоже есть положительно заряженная античастица.
То же самое можно сказать и о кварках. Протоны и нейтроны состоят из верхних и нижних кварков. Есть две более тяжелые версии верхнего кварка и две более тяжелые версии нижнего кварка. И у каждого из них есть свой антикварк.
Однако благодаря Большому электрон-позитронному коллайдеру были обнаружены частицы, показывающие, что материя и антиматерия, несмотря на симметричное производство, могут вести себя асимметрично во время своей короткой жизни и во время гибели. Если мы сможем найти объяснения этому и понять, как это происходит, мы сможем ответить на вопрос, почему материя и антиматерия взаимно не уничтожили друг друга сразу же после создания миллиарды лет назад и почему во Вселенной сегодня кое-что остается вместо ничего. Понимание глубокой связи и поиск мельчайших различий между материей и антиматерией – это то, чем занимаются и будут заниматься ученые.
Через некоторое время началась тенденция к снижению размеров ускорителей, и в последние годы были построены относительно небольшие коллайдеры в Стэнфордском университете, в Японии и в лаборатории Фраскати, откуда все начиналось, чтобы электроны и позитроны сталкивались в специально выбранных условиях, где, как надеются ученые, могут раскрыться какие-то различия между материей и антиматерией.
Тот факт, что эти аппараты вообще работают, показывает поразительную симметрию между материей и антиматерией. Пучки электронов и позитронов путешествовали по Большому электрон-позитронному коллайдеру снова и снова и вовремя приходили на место встречи, что свидетельствует об одинаковой реакции на направляющие магнитные силы. Это результат точно уравновешенных электрических зарядов и идентичных масс, которые заставляют их идти по предварительно установленным путям в противоположных направлениях. Точно так же мы можем сравнить время, которое нужно протону или антипротону для завершения круга в магнитном поле, и из этого мы знаем о схожести протона и антипротона.
Будкер, Руббиа и Ван дер Меер
Бруно Тушек укротил позитроны, а Герш Будкер решил посмотреть, не сможет ли он сделать то же самое для протонов, а затем и антипротонов.
Протоны и антипротоны почти в две тысячи раз массивнее электронов и позитронов, соответственно, энергия, которая требуется для их создания, тоже должна быть больше.
Однако производство антипротонов не является проблемой, если у вас достаточно доступной энергии, и впервые это было сделано в 1955 году – выше мы рассказывали про «Беватрон». Управление ими было большой проблемой. Вначале нужно выстрелить пучком протонов в кусок металла. Примерно в одном случае на 250 000 столкновений кинетическая энергия преобразуется в массу в форме новой пары антипротон-протон. Антипротоны двигаются на скорости, близкой к скорости света, во все стороны. Магнитные поля, которые способны сфокусировать позитроны и отправлять их на стабильные орбиты, не смогли управлять дикими протонами, которые летели вбок от предполагаемых путей, врезались в стенки туннеля и уничтожались.
Требовалось что-то для их укрощения. На профессиональном языке это называется «охлаждение», и электронное охлаждение протон-антипротонных пучков является одним из достижений Будкера: он провел антипротоны сквозь облака холодных электронов. Хотя электроны – это материя, а антипротоны – антиматерия, они не представляют опасности друг для друга: электроны уничтожаются своей античастицей, позитроном, а антипротонам угрожают только протоны или нейтроны. Постепенно судорожный неровный ход антипротонов выровнялся, и их энергия, или «тепло», было передано электронам. К 1974 году Будкер преуспел в создании и охлаждении антипротонов, но он не получал их в достаточном количестве для сильного пучка.
Герш Будкер (1918–1977) – это российский ученый, основатель и первый директор Института ядерной физики. Он оставил после себя труды по ядерным реакторам, ускорителям, физике плазмы, физике частиц высоких энергий. Начинал с экспериментов на циклотроне, известен созданием ускорителей на встречных пучках. Метод встречных пучков используется для исследований по физике элементарных частиц
Следующим мы должны упомянуть Карло Руббиа. Он работал в ЦЕРН (какое-то время даже был генеральным директором) и предложил переделать один ускоритель, суперпротонный синхротрон, для столкновений протонов и антипротонов в одном и том же кольце. Предложенный Руббиа коллайдер начал работу в 1981 году, после чего в январе 1983 года появилось сообщение о том, что были зарегистрированы W-бозоны, а через несколько месяцев – также более неуловимые Z-бозоны.
По мнению Руббиа, для производства частиц W и Z требовалась совершенно новая техника – аннигиляторы высокой энергии между протонами и антипротонами. В теории было рассчитано, что при таких условиях возможно произвести не только электромагнитное излучение, свет, но и квантовые пучки, известные как W и Z, которые являются посредниками, переносящими слабые силы радиоактивности.
Самой большой проблемой стало укрощение антипротонов и успешное помещение их в суперпротонный синхротрон. Ее решил Симон Ван дер Меер, который получил Нобелевскую премию вместе с Карло Руббиа. В ЦЕРН построили небольшую машину под названием Аккумулятор (или накопитель) антипротонов, известную как АА. В ней аккумулировались антипротоны и охлаждались, превращаясь в управляемый пучок. Таким образом они сохранялись до тех пор, пока их не окажется достаточно, чтобы использовать. Вот тут и пригодились идеи Ван дер Меера. Электронные детекторы на противоположных сторонах кольца проводили мониторинг антипротонов в пучке – где они проходят. Сигнал шел в компьютер, который рассчитывал отклонение пучка и усилие, требуемое, чтобы лучше выровнять пучки; затем сигнал на скорости света отправлялся к электродам в дальней части кольца. Идея Ван дер Меера заключалась в том, что антипротонам требуется примерно на 50 % больше времени, чтобы пройти по полукругу, чем сигналу, срезающему путь по центру круга, а если кольцо достаточно большое, то для электроники останется время принятия решения и подачи инструкций, на основании которых начнут действовать ресиверы до того, как антипротоны, наконец, пройдут по дуге. За одну миллиардную долю секунды (или наносекунду) свет проходит одну треть метра (один фут). Это был по-швейцарски точный расчет времени – и буквально, и метафорически. Каждые две секунды из протонного синхротрона вылетали протоны, врезались в цель и производили антипротоны. Антипротоны заходили в Аккумулятор антипротонов, по одной партии за раз, там в течение двух секунд происходило охлаждение – до прибытия следующей партии.