Иэн Сэмпл - В поисках частицы Бога, или Охота на бозон Хиггса

Расщепление атома было эпохальным достижением, но, чтобы раздробить атомы на еще более мелкие составляющие и изучить их, физикам требовались ускорители помощнее. Обычно ускоритель характеризуют величиной энергии частиц, которую они приобретают в них. (Используемые в этой области единицы энергии называются электронвольтами (эВ), один электронвольт — количеств кинетической энергии, которое электрон получает, когда он ускоряется напряжением 1 вольт.) Электронвольт —не очень большое количество энергии Требуется примерно 600 триллионов электронвольт, чтобы поднять монетку в один фунт стерлингов на миллиметр от земли. Чтобы расщепить атом требуется 100 000 эВ. А чтобы выбить электрон из атома, нужно только 14 эВ. Физики используют для описания энергии пучков обозначения, кратные тысячам электронвольт: кэВ — для тысяч, МэВ — для миллионов, ГэВ — для миллиардов, и ТэВ — для триллионов электронвольт.

Одной из неприятных проблем, преследовавших первых конструкторов ускорителей, было создание сильных электрических полей, необходимых для разгона частиц до более высоких скоростей. В принципе можно разогнать пучки частиц до каких угодно энергий, ускоряя их сильными полями на больших расстояниях. Физики попытались делать так, но эта идея провалилась: они научились получать огромные электрические поля, но через установку побежали искры — возникал пробой.

В то время как Уолтон и Кокрофт упорно трудились над усовершенствованием своего ускорителя на основе стеклянной трубы, американский физик Эрнест Лоуренс из Калифорнийского университета в Беркли придумал новую конструкцию, решившую проблему больших электрических полей 97 97 J. L. Heilbron and Robert W. Seidel. Lawrence and His Laboratory: A History of the Lawrence Berkeley Laboratory. Vol. I. University of California Press, 1989. . Он позаимствовал идею из статьи норвежского инженер Рольфа Видроу, опубликованной в немецком техническом журнале. Лоуренс не знал языка и не мог прочитать текст статьи —он уловил смысл прост рассматривая рисунки. Вместо того чтобы ускояться, двигаясь в длинной прямой трубке, частицы раскручивались по спирали, ускоряясь на каждом витке. Соответственно в этой установке оказалось возможным использовать более слабые электрические поля.

Сконструированная Лоуренсом установка стала называться циклотронным ускорителем. Внутри установки размером с небольшую тарелку частицы двигались по кругу и ускорялись на каждом витке переменным электрическим полем. Это было похоже на то, как если бы вы раскручивали карусель все быстрее и быстрее, стоя рядом и каждые несколько секунд с силой подталкивая ее. Частицы, направляемые мощными магнитами, кружили внутри циклотрона и по мере получения импульсов раскручивались по спирали. Прошло не так много времени, и в ускорителе Лоуренса частицы уже разгонялись до энергий около 5 МэВ, в то время как Уолтон и Кокрофт смогли получить лишь 800 кэВ. Установка Лоуренса, которую сам он называл “протонной каруселью”, была не только более мощной, но и довольно компактной — она умещалась на его лабораторном столе.

Лоуренс построил целую серию циклотронов, причем каждый последующий был крупнее и мощнее предыдущего. Первый имел всего 5 дюймов в поперечнике, но к 1939 году циклотроны стали гораздо более громоздкими, к примеру, в это время был построен циклотрон-рекордсмен диаметром 5 футов. Лоуренс использовал свои циклотроны для бомбардировки протонами различных элементов, в результате чего возникали их радиоактивные изотопы. Именно эти его работы привели к применению радиоактивных веществ в медицине. Брат Лоуренса врач Джон Лоуренс с помощью радиоактивного фосфора лечил лейкемию. А вскоре его коллеги придумали, как использовать пучки нейтронов, полученные в циклотроне, для уничтожения раковых клеток в организме. В 1939 году Лоуренс получил Нобелевскую премию за создание циклотрона и открытия, сделанные с его помощью, в том числе за синтез технеция — первого искусственного элемента, элемента, не существующего в природе.

По мере того как ускорители становились все более мощными, появлялись и новые технические проблемы. Действительно, частицы внутри установки разгонялись почти до скорости света. В таких условиях дальнейшее увеличение энергии мало что давало в смысле увеличения скорости. Вместо этого (и в соответствии с теорией относительности Эйнштейна) дополнительная энергия изменяла орбиты частиц, и для сохранения постоянной длины траектории ученые ввели в систему электрические поля переменной частоты. Эти более современные установки, получившие название синхроциклотроны, стали следующим поколением ускорителей 98 98 Gordon Fraser. The Quark Machines: How Europe Fought the Particle Physics War. Taylor & Francis, 1997. .