В прошлом году физическое сообщество отмечало столетнюю годовщину открытия атомного ядра. В экспериментах, поставленных в лаборатории Эрнеста Резерфорда в Манчестере в 1911 г., пучок заряженных частиц, испускаемых в результате радиоактивного распада радия, был направлен на тонкую золотую фольгу. В те времена было принято считать, что в атоме, как в пудинге, почти вся масса равномерно распределена по объему. В таком случае тяжелые заряженные частицы от распада радия должны были бы проходить через золотую фольгу с очень незначительным отклонением. К удивлению Резерфорда, некоторые из этих частиц отскакивали от фольги почти в обратном направлении, и это показывало, что они были отражены чем-то маленьким и тяжелым, находящимся внутри атомов золота. Резерфорд заключил, что это были атомные ядра, вокруг которых, почти как планеты вокруг Солнца, вращаются электроны.
Это было великое научное открытие, но его вряд ли можно назвать большой наукой. Экспериментальная группа Резерфорда состояла из одного аспиранта и одного научного сотрудника. В поддержку своей работы они получили грант Лондонского королевского общества в размере всего £70. Самым дорогим элементом экспериментальной установки был радий, однако Резерфорду даже не пришлось за него платить — радий одолжила Австрийская академия наук.
Вскоре ядерная физика стала масштабнее. Заряженные частицы, которые в эксперименте Резерфорда испускал радий, не обладали достаточной энергией, чтобы преодолеть силу электрического отталкивания ядер золота и проникнуть в сами ядра. Чтобы пробраться внутрь ядер и выяснить, что они из себя представляют, в 1930-е гг. физиками были изобретены циклотроны и другие устройства, разгоняющие заряженные частицы до высоких энергий. Ныне покойный Морис Гольдхабер, возглавлявший когда-то Брукхейвенскую национальную лабораторию, вспоминал: «Первым, кто сумел развалить ядро, был Резерфорд. Есть его фотография, где он держит экспериментальный прибор на коленях. Я теперь всегда вспоминаю недавнюю фотографию, на которой изображен один из знаменитых циклотронов, построенный в Беркли, и вся команда, расположившаяся на нем».
После Второй мировой войны строительство ускорителей возобновилось, только теперь с новой целью. Наблюдая за космическим излучением, физики обнаружили некоторый набор элементарных частиц, отличавшихся от тех, которые есть в обычных атомах. Для исследования этого нового типа материи было необходимо искусственно создавать такие частицы в огромных количествах. Физикам нужно было ускорять пучки обычных частиц, например протонов (ядер атома водорода), до высоких энергий, чтобы при столкновении протонов с атомами неподвижной мишени их энергия могла быть преобразована в массы частиц новых типов. Дело тут не в установке рекордов мощности ускорителей и даже не в коллекционировании все новых и новых экзотических видов частиц (как орхидей). Цель создания подобных ускорителей состоит в том, чтобы, получая новые виды материи, изучать законы природы, которые описывают все формы материи. И хотя многие физики предпочитают работать в стиле Резерфорда с экспериментами малых масштабов, логика исследований вынуждает физику переходить на новый уровень.
В 1959 г. я стал научным сотрудником Радиационной лаборатории в Беркли. В то время Университет в Беркли располагал самым мощным в мире ускорителем, Беватроном, который занимал целое большое здание на холме, возвышавшемся над кампусом. Беватрон был разработан специально для ускорения протонов до энергий, достаточных для создания антипротонов, и получение антипротонов ни для кого не стало сюрпризом. Удивительным было то, что вместе с антипротонами также были получены сотни типов новых крайне нестабильных частиц. Этих новых типов частиц оказалось так много, что возникло сомнение, можно ли считать их элементарными и действительно ли мы понимаем, что такое элементарная частица. Все это сильно сбивало с толку, но и вдохновляло тоже.
После 10 лет работы на Беватроне стало понятно, что для осмысления полученных результатов потребуется новое поколение ускорителей частиц высоких энергий. Эти новые ускорители должны быть огромными, а потому их невозможно разместить в лаборатории на холмах Беркли. Кроме того, многие из них потребуют большой команды исследователей и уже не смогут управляться силами одного университета. Однако если для Беркли это был кризисный момент, то для физики — нет. Новые ускорители были построены в лаборатории Фермилаб
[110] в пригороде Чикаго, в CERN недалеко от Женевы и в других лабораториях США и Европы. Ускорители были слишком большими, их невозможно было разместить в здании, поэтому теперь они стали атрибутами ландшафта. Длина нового ускорителя в Фермилаб достигала почти 6,5 км. На территории восстановленных прерий Иллинойса, где расположен ускоритель, пасется стадо бизонов.
К середине 1970-х гг. работа экспериментаторов в этих лабораториях и теоретиков, использующих собранные данные, привела к появлению полной, а теперь еще и многократно проверенной теории частиц и взаимодействий, получившей название Стандартной модели. Согласно этой теории, существует несколько типов элементарных частиц. Есть сильно взаимодействующие кварки, из которых состоят протоны и нейтроны атомных ядер, а также большая часть новых частиц, открытых в 1950–1960-х гг. Есть слабо взаимодействующие частицы, названные лептонами, прообразом которых является электрон. Есть частицы, обмен которыми между кварками и лептонами приводит к различным типам взаимодействий. К этому типу переносящих взаимодействия частиц относятся: фотон, частица света, ответственная за электромагнитное взаимодействие; близкородственные частицы W и Z, отвечающие за слабое ядерное взаимодействие, благодаря которому кварки или лептоны одного вида могут превращаться в частицы другого вида; и безмассовые глюоны, посредством которых осуществляется сильное ядерное взаимодействие, удерживающее кварки внутри протонов и нейтронов.
Успех Стандартной модели, очевидно, не означает конца истории. Во-первых, значения массы кварков и лептонов в этой теории получаются из эксперимента, а не рассчитываются из первых принципов. Мы уже десятилетиями смотрим на список этих масс и чувствуем, что должны понять его, но пока он кажется бессмысленным. Это как если бы мы пытались прочитать надпись, сделанную на утерянном языке, например, с помощью линейного письма А
[111]. Кроме того, некоторые ужасно интересные вещи не входят в Стандартную модель, например гравитация и темная материя, на которую, как говорят астрономы, приходится до 5/6 всей материи Вселенной.
Так что теперь мы ждем результатов от нового ускорителя в CERN, который, как мы надеемся, позволит сделать следующий шаг в развитии Стандартной модели. Речь идет о Большом адронном коллайдере. Он представляет собой подземный кольцевой туннель длиной 26,6 км на границе Швейцарии и Франции. В нем два пучка протонов разгоняются в противоположных направлениях до энергий, которые со временем достигнут 7 ТэВ в каждом пучке, а это примерно в 7500 раз больше энергии, сосредоточенной в массе протона. Пучки сталкиваются в нескольких специальных местах кольца, где установлены детекторы, имеющие массу военного крейсера времен Второй мировой войны. Детекторы предназначены для обнаружения различных частиц, образующихся в результате столкновений.
