Жорж Шарпак - Спогади вигнанця, фізика, громадянина світу, Жорж Шарпак

виникає запитання: чому серед частинок, які вилітають, немає ні електронів, ні мюонів? На практиці завжди легше підтвердити появу, ніж зникнення. У цьому випадку акт, у якому немає мюонів, міг би відповідати зарядженому струмові, з якого мюон виходить звичайно з невеликою кількістю енергії та, отже, невпізнанним.

Тож аналіз вимагав особливих зусиль — порівняння актів, що містили мюони, з тими, де мюонів не було, за допомоги обрахунків, що виводять коефіцієнт актів, де не може бути мюонів. Результат вразив усіх: виставленому критерієві відповідала третина актів. Ішлося не про слабеньку похибку — ймовірність взаємодії з нейтральним струмом була такою ж високою, як взаємодії з зарядженим струмом. Дилема полягала у факті існування експерименту з такою ж метою, що мав місце в Америці і давав то негативний, то позитивний результат. З’явилися жарти про альтернативні струми. Це підкреслювало складність висновків, проте спільний дослід на «Ґарґамеллі», що мав більш обнадійливі результати, завершився публікацією доказів існування нейтральних струмів.

«Це було перше значне відкриття ЦЕРНу. У липні 1973 р. група «Ґарґамелла» оголосила про виявлення слабких нейтральних струмів. Ця знахідка стала ключовою, адже відкрила шлях до нової фізики — фізики уніфікації слабкої та електромагнітної взаємодії. Згідно з цією теорією, на рівні надвисоких енергій, що панували після народження Всесвіту, електромагнітна та слабка сили з’єднались, а роз’єдналися лише тоді, коли Всесвіт охолонув»[13].

Що ж, два докази краще, ніж один — невдовзі з’явилася друга публікація, де описувався акт, отриманий у камері, в якому виступав один-єдиний енергетичний електрон. Це стало результатом пружної дифузії нейтрино мюонного типу на атомарний електрон, що міг походити лише з нейтрального струму. Усі погоджувалися, що цей експеримент мав усі шанси одержати Нобелівську премію, якби керівник команди Андре Лаґарріґ не помер від серцевого нападу в університетському містечку Орсе.

Успіх

Ознайомлення з результатами, отриманими «Марком-1», виявило симетрію, що розподіляла частинки на сімейства. На той час уже було відомо про два повні сімейства, а τ-лептон відкрив третє. Потім, не відзначені Нобелівськими преміями, були відкриття b та t-кварків. Історія лише починалася, тож відкриття вимагали лише трохи більше зусиль. Приблизно знали і масу t-кварка, тож теорія стимулювала експерименти.

Після того, як замість хаосу розмаїття частинок повернувся лад, до роботи взялися теоретики. «Ґарґамелла» остаточно довела очевидність об’єднання електромагнітної та слабкої сил. Бракувало підтвердження існування проміжних бозонів слабкої взаємодії — W та Z. У цьому допоміг дослід UA1 (UA — підземна частина). Завдяки отриманим результатам було впорядковано Стандартну модель, а ЦЕРН нарешті взяв реванш. Звичайно, можна закинути, що винахід був логічним, адже маси бозонів були відомі заздалегідь. Що ж, час видовищної фізики добігав кінця, зріла доба заступила шаленство юності.

Аби утворити дуже масивні частинки на кшталт тих, знайти які прагнули, потрібно було багато енергії. Тодішні прискорювачі — у ЦЕРНі та «Фермілебі» біля Чикаго — дозволяли прискорювати протони лише за енергії в кількасот ГеВ, чого було більш ніж недостатньо для класичного досліду з бомбуванням цілі. Отут ЦЕРНові й знадобився досвід ISR у використанні протонних прискорювачів.

Було з успіхом випробувано новий задум — звести колайдер «протони проти антипротонів». Взоруючись на принцип «електрони проти позитронів», прилад потребував одного кільця, яке вже існувало; проте, на відміну від відносно легкого виробництва позитронів, виробництво антипротонів було вельми ускладнене, тож треба було прийняти виклик.

Довелося побудувати завод із виробництва антипротонів, аби збирати та приручати ці рідкісні частинки, збирати їх у потоки, достатньо тонкі, щоби скеровувати їх у вакуумну трубу прискорювача. Підґрунтя тут досить просте: протони високого рівня енергії бомбують матеріальну ціль і утворюють антипротони. Це дослід Берклі. Проблема в тому, що утворюється дуже мало частинок — для утворення одного-єдиного антипротона треба використати 10 тисяч протонів. У мішень скеровують цикли по 1011 протонів, але не всі антипротони випромінюються в обраному напрямку, тож їм треба якомога швидше відрізати шлях. До того ж, вони мають не однакову енергію, а прискорювати доводиться в рурі обмежених розмірів. Довелося вигадати «горловину», здатну збирати якомога більше антипротонів. Побудували спеціальний прилад. АА — антипротонний прискорювач був невеликим замкненим кільцем діаметром 50 м. Утім, «розминка» не завершилася, адже зібрані антипротони посідали різні енергії. Їх треба було «охолодити», тобто розібрати по енергетичних групах. Метод був віртуозний — він ґрунтувався на тому, що діаметр кола коротший за півобвід! Кожна група вивчалась у певній точці кільця, вимірювалась їхня дисперсія, після чого інформацію по кабелях надсилали на інший бік кільця. Дані надходили до проходження в тому місці певної групи, що дозволяло «зробити наводження», пригальмувавши антипротони, що летіли на чолі групи, та прискоривши частинки у хвості групи, які мали наздогнати «своїх». «Стохастичне охолодження» виявилося вельми вдалим, проте сама операція була дуже складною, вимагала повного дня роботи, щоби забезпечити головний прискорювач достатньо густими групами, як, зрештою, прискорювалися до рівня 270 ГеВ. На щастя, вакуум у кільці дозволяв потокам існувати по кілька днів.

Таким чином отримували зіткнення протонів з антипротонами з небаченим тоді рівнем енергії 270 ГеВ на кожен пучок. Це давало зіткненню достатньо енергії для утворення дуже важких об’єктів. Залишалося сконструювати детектор, здатний виявити ці об’єкти.

На відміну від своїх суперників, детектор UA1 використав радше соленоїдну, ніж двополюсну структуру — так само, як і «Марк-1». Аргумент полягав у можливості вивчати частинки, випущені вперед під невеличким кутом при тому, що в соленоїдній структурі відсутнє магнітне поле. Внутрішня довжина магніту складала 7 м, а поперечна ширина — 3 м. Його було напхано різнобічними детекторами, зокрема низкою пропорційних камер.

У грудні 1983 р. у великому амфітеатрі ЦЕРНу оголосили про відкриття W. Аби зібрати кілька W-частинок серед мільйонів малоцікавих актів, фізикам знадобилася неабияка майстерність. Скажімо, W масою у 83 ГеВ/с2 розпадається на один електрон і один мюон у супроводі одного нейтрино. Нейтрино, як завжди, зникає, проте напрямок його «втечі» та енергію можна визначити за повною інформацією про акт. Таким був основний метод вимірювання невидимого у визначенні сигналу. Відомості про Z з’явилися лише за кілька місяців. Ця більш масивна — 90 ГеВ/с2 — частинка утворювалась у 10 разів активніше, а виявити її слід було набагато легше, адже вона розпадалася на два заряджених лептони.

У 1984 р. фізик Карло Руббіа та інженер Сімон ван дер Меер — він стояв біля витоків охолодження антипротонів — одержали Нобелівську премію за «значний внесок у великий проект, що привів до відкриття частинок W та Z — вістунів слабкої взаємодії».

Отже, ЦЕРН отримав свою премію і з європейського перетворився на світовий центр, де фізики з усіх країн, представники різних культур зійшлися на одному — жазі дослідження