Лоуренс Краусс - Таємниці походження всесвіту

Саме такий виклик стояв перед експериментаторами 1976 року, коли вони поставилися до електрослабкої моделі достатньо серйозно, аби вирішити, що її перевірка варта часу, зусиль і грошей.

Проте ніхто не знав, як збудувати пристрій із достатньою кількістю енергії. Прискорення окремих пучків частинок чи античастинок до високих енергій було опрацьоване. Станом на 1976 рік ми вже вміли розганяти протони до 500 ГеВ, а електрони – до 50 ГеВ. На менших енергіях було здійснено успішні зіткнення електронів та їхніх античастинок, і саме так 1974 року було відкрито нову частинку, яка містила чарівні кварк і антикварк.

Протони, які від самого початку мають більшу масу, а отже, і більшу енергію спокою, легше розігнати до високих енергій. Саме 1976 року було здано в експлуатацію протонний прискорювач у Європейській організації з ядерних досліджень (ЦЕРН) у Женеві, протонний суперсинхротрон (SPS) – традиційний прискорювач зі стаціонарною мішенню, здатний працювати з протонним пучком потужністю 400 ГеВ. Проте на момент увімкнення SPS інший прискорювач у Фермілабі, що неподалік від Чикаго, уже досяг рівня потужності протонного пучка в 500 ГеВ. У червні того ж року на конференції, присвяченій нейтрино, фізики Карло Руббіа, Пітер Макінтайр та Девід Клайн виступили із зухвалою ідеєю: якщо перебудувати SPS у ЦЕРН на машину, у якій протони зіштовхуватимуться з їхніми античастинками, антипротонами, ЦЕРН потенційно зможе виробляти W – та Z -частинки.

Їхня зухвала ідея полягала у використанні одного й того ж кругового тунелю для розгону протонів в один бік, а антипротонів – у другий. Оскільки ці дві частинки мають протилежні електричні заряди, той самий розгінний механізм діятиме на кожну з них відповідно. Тож один прискорювач у принципі міг утворити два високоенергетичні пучки, що рухатимуться по колу в протилежних напрямках.

Логічність цієї ідеї була очевидна, а от її реалізація – ні. Перш за все, враховуючи силу слабкої взаємодії, породження навіть кількох W – та Z -частинок вимагало зіткнення сотень мільярдів протонів та антипротонів. Проте досі ще нікому не вдавалося породити та накопичити стільки антипротонів, щоб утворився повноцінний прискорювальний пучок.

Далі можна було б подумати, що, коли два пучки літатимуть одним тунелем у протилежних напрямках, частинки зіштовхуватимуться по всьому тунелю, а не в детекторах, призначених для визначення продуктів зіткнень. Проте насправді все зовсім не так. Поперечний переріз навіть невеликого тунелю настільки велетенський порівняно з діаметром ділянки, у якій можуть зіткнутися протон з антипротоном, що проблема полягає зовсім в іншому. Здавалося неможливим створити достатню кількість антипротонів та забезпечити достатню їхню та протонів щільність у пучках, щоб, коли пучки, напрямлені потужними магнітами, зійдуться, відбулися взагалі хоч які-небудь зіткнення.

Переконати правління ЦЕРН перетворити один із найпотужніших прискорювачів світу, збудований у круговому тунелі завдовжки майже вісім кілометрів на франко-швейцарському кордоні, на новий тип колайдера, було б складно для більшості людей, проте Карлу Руббіа, пишномовній силі природи, це завдання було до снаги. Мало хто з тих, хто ставав у нього на шляху, потім про це не шкодував. Упродовж 18 років він щотижня мотався з ЦЕРН до Гарварду, де працював професором, і назад. Його кабінет містився двома поверхами нижче за мій, проте я знав, коли він на місці, оскільки його було чутно. Мало того, ідея Руббіа була гарною, і, просуваючи її, він насправді пропонував ЦЕРН підвищити SPS від статусу машини-«аутсайдера» до найзахопливішого прискорювача у світі. Шелдон Ґлешоу казав директорам ЦЕРН, заохочуючи їх до руху вперед: «Ви хочете ходити чи літати?»

Проте для польоту потрібні крила, і формування нових методів створення, збереження, прискорення й фокусування пучка антипротонів лягло на плечі блискучого фахівця з фізики прискорювачів із ЦЕРН Симона ван дер Мера. Його метод був настільки кмітливим, що, дізнавшись про нього, багато фізиків були певні, що він порушує якісь фундаментальні принципи термодинаміки. Властивості частинок у пучку мали вимірюватися в одному місці кругового тунелю, після чого магніти далі по тунелю одержували сигнал надати частинкам пучка, що пролітають повз них, багато розтягнутих у часі маленьких поштовхів, таким чином дещо змінюючи енергії та імпульси частинок, що збилися зі шляху, і врешті-решт фокусуючи їх у вузький пучок. Цей метод, що дістав назву стохастичного охолодження, гарантував, що частинки, які відхилилися від центру пучка, будуть спрямовані назад у його середину.