Лоуренс Максвелл Краус - Таємниці походження всесвіту

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.

Спільними зусиллями ван дер Мер та Руббіа лупали цю скалу, і до 1981 року колайдер працював, як було задумано, а Руббіа згуртував найбільший спільний фізичний проект з усіх та збудував великий детектор, здатний просіяти мільярди зіткнень протонів і антипротонів у пошуках жменьки вірогідних W– та Z-частинок. Утім, команда Руббіа була не єдиною, хто полював на W та Z. У тому ж ЦЕРН був сформований іще один спільний проект із побудови детектора. Вважали, що надлишкові потужності для настільки важливого спостереження зайвими не будуть.

Відшукати в ході цих експериментів потрібний сигнал на настільки неосяжному фоні було нелегко. Згадаймо, що протони складаються більш ніж з одного кварка, і в процесі одного зіткнення протона з антипротоном може відбутися багато чого. Мало того, W– та Z-частинки мали спостерігати не безпосередньо, а через їхні розпади, у випадку W-частинок – на електрони й нейтрино. Нейтрино також не мали спостерігати безпосередньо. Натомість експериментатори мали скласти докупи сумарні енергії та імпульси всіх вихідних частинок у рамках подій-кандидатів та пошукати великі обсяги «зниклої енергії», що було б ознакою утворення нейтрино.

У грудні 1982 року Руббіа з колегами стали свідками потенційної W-події. Руббіа жадав опублікувати статтю на основі цієї єдиної події, проте його колеги були обережніші й мали на те всі підстави. За Руббіа, здається, тягнувся хвіст відкриттів, які на повірку не завжди виявлялися відкриттями. Тим часом він потайки поділився подробицями цієї події з кількома колегами з різних куточків світу.

Упродовж кількох наступних тижнів його колаборація UA1 зібрала докази ще п’яти потенційних W-подій, і фізики з команди UA1 розробили декілька значно строгіших тестів задля ствердження з високим ступенем упевненості, що ці потенційні події дійсно мали місце. 20 січня 1983 року Руббіа провів у ЦЕРН пам’ятний та майстерно обставлений семінар, на якому оголосив здобуті результати. Його зустріли стоячою овацією, яка засвідчила, що фізичну спільноту він переконав. Кілька днів по тому Руббіа подав до часопису «Physics Letters» статтю, у якій повідомлялося про виявлення шести W-подій. Віднайдена W-частинка мала точно передбачену масу.

Утім, на цьому пошуки не завершилися. Досі не було виявлено частинки Z. Її передбачена маса була трохи більшою за масу W-частинки, а тому зафіксувати її сигнал було важче. Зрештою, уже десь за місяць після оголошення про виявлення W-частинки в обох експериментах почали з’являтися ознаки Z-подій, і 27 травня того ж року на основі однієї чіткої такої події Руббіа оголосив про її відкриття.

Калібрувальні бозони електрослабкої моделі нарешті було знайдено. Важливість цих відкриттів для зміцнення емпіричних основ Стандартної моделі була підкреслена трохи більш ніж за рік після цього оголошення, коли Руббіа та його колега з галузі фізики прискорювачів ван дер Мер одержали Нобелівську премію з фізики. Хоча команди, які збудували й керували прискорювачем та детекторами, складалися з величезної кількості людей, майже всі сходилися на тому, що, якби не енергійність і наполегливість Руббіа та майстерні винаходи ван дер Мера, це відкриття не було б зроблене ніколи.

Залишився останній Святий Грааль – передбачена Хіггсом частинка. На відміну від W– та Z-бозонів, маса бозона Хіггса не зафіксована теорією. Було передбачено її зв’язування з матерією та калібрувальними бозонами, оскільки ці зв’язування надають можливість фоновому полю Хіггса, яке, можливо, існує в природі, порушувати калібрувальну симетрію й надавати масу не лише W– та Z-частинкам, а й електронам, мюонам та кваркам – узагалі всім фундаментальним частинкам Стандартної моделі, окрім нейтрино й фотона. Проте з використанням наявних на той час вимірювань не вдалося заздалегідь окремо визначити ані масу частинки Хіггса, ані силу її самовзаємодій. Теорія лише зафіксувала їх співвідношення в термінах виміряної сили слабкої взаємодії між відомими частинками.

З огляду на консервативні оцінки можливої величини сили самовзаємодії бозона Хіггса, його маса була консервативно оцінена як