Глава 5 Европейцы уходят в отрыв

Это произошло 30 декабря 1972 года. Самолет коснулся земли, взвизгнули резиновые колеса, шасси прогнулись, приняв на себя полную тяжесть самолета. Двигатели замедлили свое вращение, гул стал тише, самолет подрулил к терминалу и остановился. По внутренней связи пилот разрешил пассажирам отстегнуть ремни безопасности и поздравил с прибытием в зимнюю сумрачную Англию.

Дональд Перкинс, физик из Оксфордского университета, наблюдал из здания терминала аэропорта Хитроу, как пассажиры берут свои чемоданы и становятся в очередь на паспортный контроль. Прибывший из Германии самолет доставил туристов из разных стран на празднование Нового года в Лондоне и англичан, возвращающихся домой по еле окончания рождественских каникул. Перкинсу не пришлось долго искать в толпе человека, которого он встречал, — Гельмут Фейснер, физик из университета Ахена, первым увидел его; он широко улыбался и размахивал фотоснимком.

Фейснер прошел таможню, поздоровался и сразу потащил Перкинса к столу. Немец положил на стол фотографию, и они оба стали пристально изучать ее. На черном фоне были видны белые пятна, тонкие вихри и кольца, похожие на следы от пуль. Для неопытного глаза картина казалась бессмысленным нагромождением полос и пятен, но для Перкинса и Фейснера одного взгляда на фотографию было достаточно, чтобы их сердца учащенно забились. Это было настоящее открытие! Перкинс сразу понял всю его важность, и они с Фейснером отправились в бар отпраздновать событие. Фейснер, кроме того, предложил заехать по дороге на аукцион “Кристи” и за большие деньги продать фотографию. Он назвал ее “Bilderbuch event” — иллюстрацией из книги с картинками. Это был пример того, как новый результат в физике можно представить в виде картинки с пояснениями⁹⁴.

В 1972 году только немногие физики слышали о бозоне Хиггса, а те, кто слышал, считали, что охоту за этой частицей начинать еще слишком рано. Причина была проста: физики понятия не имели, как ее найти. Они знали о бозоне Хиггса столь мало, что казалось, обнаружить его почти так же трудно, как иголку в стоге сена. Вот почему вместо этого физики отправились на охоту за доказательствами правильности теории электрослабого взаимодействия, разработанной Стивеном Вайнбергом и Абдусом Саламом в 1960-х годах и подкрепленной работами Тини Вельтмана и Герарда т‘ Хоофта 1971 года. Важность ее было трудно переоценить, после теории электромагнетизма Максвелла, построенной в конце XIX века, это была первая теория, объединяющая две силы природы. Физики знали: того, кто найдет доказательства правильности теории, ждет Нобелевская премия.

Но оказалось, что доказательства, которые физики собирались добыть, тесно связаны с проблемой происхождения масс. Действительно, теория электрослабых взаимодействий основывается на механизме Хиггса. Именно поле Хиггса дает массу новым частицам — W- и Z-бозонам, предсказанным теорией. Итак, если теория электрослабых взаимодействий подтвердится, механизм Хиггса или что-то, похожее на него, скорее всего правильно описывает процесс обретения массы. Это не будет строгим доказательством теории Хиггса, но явится первым косвенным свидетельством правильности идеи.

В теории электрослабых взаимодействий было сделано много предсказаний, которые физики могли в своих экспериментах подтвердить или опровергнуть. Кроме двух новых частиц (причем, в отличие от частицы Хиггса, у физиков была ориентировка, подсказывающая, где их искать), в теории электрослабого взаимодействия был описан некий тонкий эффект, называемый “нейтральным током”. Обычный электрический ток возникает при перетекании отрицательно заряженных электронов из одного места в другое. Нейтральный ток — новый вид тока, создаваемый электрически нейтральными Z-частицами, проскальзывающими между другими частицами. Физики считали, что, имея необходимое оборудование, они могли бы сфотографировать нейтральные токи. И след нейтрального тока должен быть похож на спиральный трек, явно различимый на фотоснимке Гельмута Фейснера, который тот держал в руках в день своего появления в Хитроу.

Если бы W- и Z-частицы или мимолетные нейтральные токи не обнаружились в экспериментах, электрослабую теорию можно было бы выбросить на свалку, и вся идея Хиггса о происхождении массы частиц была бы поставлена под сомнение. Чтобы найти ответы на эти вопросы, физики, специалисты по элементарным частицам обратились к помощи неутомимых рабочих лошадок — ускорителей, установок, разгоняющих потоки частиц до феноменальных скоростей. Несущиеся в них частицы либо обрушиваются на поверхность металла, либо сталкиваются с другими частицами, летящими в другом направлении.

Ускорители начали строить в конце 1920-х годов. Поначалу это были примитивные устройства, собранные из узлов других приборов. В ранних моделях пучки частиц, летевших с большой скоростью, использовались для разрушения атомных ядер. В течение последующих десятилетий ускорители превратились в самые сложные и громоздкие установки на планете, и сегодня при столкновениях частиц, летающих в них с огромной скоростью, выделяется огромная энергия и возникают совершенно новые частицы.

История ускорителей началась в 1900-х годах, когда Эрнест Резерфорд и другие физики стали проводить эксперименты в области атомной физики. Резерфорд уже тогда знал, что радиоактивные материалы испускают потоки быстрых частиц, которые можно использовать для изучения строения атома. Обычно в качестве радиоактивного материала брали радий — он испускает альфа-частицы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов и вылетающие со скоростью, превышающей 20 000 километров в секунду. Именно альфа-частицы и применил Резерфорд в экспериментах, которые привели его в 1911 году к открытию структуры атомного ядра.

Закончив свои уникальные эксперименты в Манчестере, Резерфорд переехал в Кембриджский университет, где стал руководителем престижной Кавендишской лаборатории, а спустя шесть лет — президентом Королевского общества. В то время он уже был одним из самых влиятельных физиков в мире. В 1927 году он обратился с президентской речью к членам Королевского общества, в которой подчеркнул, что для физиков крайне важно иметь в качестве инструмента пучки частиц с более высокими, чем у альфа-частиц, энергиями⁹⁵. “Это позволило бы проводить исследования в новых необычных и важных областях и использовать их не только для выяснения вопросов, связанных со строением и стабильностью атомных ядер, но и для решения множества других проблем”, — сказал он.

Слова Резерфорда были услышаны. Вскоре в Кавендише ирландский физик Эрнест Уолтон и его коллега, йоркширец Джон Кокрофт, начали собирать установку, на которой планировалось получать пучки частиц, не используя радиоактивные материалы. Установка была еще несовершенна, но она работала! На одном конце Уолтон и Кокрофт установили стеклянную колбу, заполненную водородом. Приложенное к стенкам колбы напряжение выдирало электроны из атомов водорода, оставляя внутри сосуда голые ядра водорода, то есть протоны⁹⁶. Положительно заряженные протоны ускорялись другим напряжением, приложенным к торцам 8-метровой трубы, состыкованной с колбой. Идея состояла в том, чтобы ускоренные в трубе протоны врезались в объект, поставленный на их пути.

Уолтон и Кокрофт подумали и о технике безопасности. Во время тестирования установки они забрались в сделанное ими небольшое деревянное укрытие в центре лаборатории, обложенное свинцом для экранирования. Устройство Уолтона и Кокрофта стало, как Резерфорд и предполагал, очень полезным инструментом. В 1932 году физики направили поток частиц из этого протоускорителя на литий, самый легкий из металлов. Пучок протонов врезался в мишень и раскалывал атомы лития на две части. Уолтон и Кокрофт получили Нобелевскую премию на двоих в 1951 году за изобретение метода ускорения частиц и расщепление атома.

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 полей⁹⁷. 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 ускорителей⁹⁸.

Во время холодной войны соревнование в строительстве гигантских ускорителей частиц в США и Советском Союзе шло параллельно с состязанием в космических исследованиях. Оба государства считали необходимым вкладывать деньги в строительство ускорителей, ведь все помнили, что именно знание структуры атома в конце концов обеспечило создание атомной бомбы и победу союзников во Второй мировой войне. Получение информации об атоме и энергии, заключенной внутри его, было вопросом национальной безопасности, и ведущие страны мира продолжали гонку, практически не считаясь с затратами. Когда одна строила огромный ускоритель, другая старалась построить еще больший.

1950-е годы были периодом расцвета ядерной физики: строились большие ускорители, более десятка уже работали или сооружались в разных странах. В Брукхейвенской национальной лаборатории на Лонг-Айленде (районе Нью-Йорка) работал ускоритель “Космотрон” с энергией частиц 3 ГэВ. В Беркли, близ Сан-Франциско, на ускорителе “Беватрон” была достигнута рекордная энергия 6,2 ГэВ. В 1957 году СССР ответил запуском ускорителя в Дубне — городке, расположенном к северу от Москвы, на котором пучки частиц разгонялись до энергий 10 ГэВ. В том же году СССР запустил первый в мире искусственный спутник. Это произошло через тридцать лет после того, как Уолтон и Кокрофт построили свой первый ускоритель. К этому времени ученые уже научились разгонять частицы до энергий в 50 000 раз выше, чем на первых установках.

Огромные средства, инвестированные в ускорители в США и СССР, создали серьезную проблему для Европы, где наука после войны находилась в глубоком кризисе. Основные открытия в ядерной физике и физике элементарных частиц делались американскими и советскими учеными, а европейские физики теряли квалификацию или уезжали в основном в США, вливаясь в армию американских специалистов⁹⁹.

Озабоченность по поводу будущего европейской науки побудила ведущих ученых, в том числе двух нобелевских лауреатов — француза Луи де Бройля и американца Исидора Раби, — лоббировать проект строительства огромной многонациональной лаборатории. Ее целью, говорили они, станет развитие сотрудничества между различными странами и возвращение европейских ученых на передовые позиции физики. Несколько встреч в начале 1950-х годов привели к тому, что для рассмотрения проектов был создан временный Европейский совет по ядерным исследованиям (Counseil Europeenne pour la Recherche Nucleaire) — ЦЕРН. В 1954 году двенадцать европейских стран ратифицировали решение о создании Европейской организации по ядерным исследованиям, которая должна была базироваться близ Женевы, в Швейцарии.

Европейская лаборатория была очень амбициозным проектом. Первый основной ускоритель в ЦЕРНе, протонный синхротрон, был шириной в 200 метров и едва умещался на футбольном поле. 24 ноября 1959 года в 19.35 ускоритель разогнал протоны до рекордной энергии 24 ГэВ — этот знаменательный момент в истории ЦЕРНа отмечен в лабораторном журнале. На следующее утро Джон Адамс, будущий генеральный директор ЦЕРНа, объявил об успехе, сжимая в поднятой руке пустую бутылку из-под водки¹⁰⁰. Эту бутылку водки прислали ученые из Дубны — с условием, что их европейские коллеги разопьют ее только тогда, когда ЦЕРН побьет рекорд дубнинцев. В тот же день Адамс отослал бутылку обратно, только вместо водки там лежал поляроидный снимок с экрана дисплея, демонстрирующий сгусток летящих протонов с энергией 24 ГэВ.

ЦЕРН стал поистине центром притяжения для всех европейских физиков, занимающихся элементарными частицами. Но строительство самого ускорителя было только половиной дела. Прежде чем использовать установку в качестве научного инструмента, физики должны были построить и установить детекторы, позволяющие увидеть, что происходит, когда частицы с высокими энергиями врезаются в материал мишеней. Детекторы имели специальную конструкцию для обнаружения новых явлений, таких как нейтральные токи или W-частицы. Это были сложнейшие инженерные сооружения, и, чтобы их сконструировать и построить, понадобились годы.

Однако и по другую сторону Атлантики тоже не спали. Пока в ЦЕРНе осваивали свой, церновский, ускоритель, в США вводились в строй научные центры с оборудованием стоимостью много миллионов долларов, и размеры американских ускорителей измерялись в милях и километрах, а не в футах и метрах. В Менло-Парке, в Стэнфорде, был запущен трехкилометровый линейный ускоритель, а примерно в сорока милях к западу от Чикаго, в прериях, на площади 6800 гектаров строился другой крупный объект — Национальная ускорительная лаборатория, Фермилаб.

В Брукхейвенской национальной лаборатории инженеры построили огромный синхротрон с переменным градиентом, на какое-то время ставший самым мощным ускорителем частиц в мире — энергия частиц в нем достигала 33 ГэВ. Благодаря этой установке американцы получили три Нобелевские премии. В 1962 году Леон Ледерман и его коллеги открыли частицы, называемые мюонными нейтрино, а в 1974 году брукхейвенские физики и ядерщики, работавшие на линейном ускорителе Стэнфордского университета, совместными усилиями обнаружили J/PSI-мезоны, которые помогли доказать существование нового типа кварков — так называемых очарованных кварков.

Архитектор и будущий руководитель лаборатории под Чикаго Роберт Уилсон, бывший руководитель отдела экспериментальной ядерной физики в Манхэттенском проекте и бывший аспирант Эрнеста Лоуренса, считал себя человеком нового Возрождения. Будучи хорошим скульптором, он воспринимал ускорители как храмы современной эпохи. Свое видение нового ускорителя в Чикаго, играющего в жизни общества, как он говорил, “в первую очередь духовную роль”, он описал так: “Это будет сооружение невиданной красоты, гармонизирующее наше бытие”.

Уилсон вырос на семейном ранчо в штате Вайоминг, где разводили крупный рогатый скот, и там стал заправским ковбоем¹⁰¹. Эдвин Гольдвассер, заместитель Уилсона в Манхэттенском проекте, рассказывал, что Уилсон мог “если это было необходимо, ловко набросить лассо на любого из трех своих сыновей, когда они были маленькими”. Когда какой-то механизм ломался, юный Уилсон вместо того, чтобы отправиться за запчастями в долгую поездку на лошади в соседний город, шел в местную кузницу и выковывал деталь сам. Этот опыт во многом определил его характер. “Я уверен, что человек способен своими собственными руками построить самые хитроумные механизмы, а потом заставить их работать”, — говаривал он.

Уилсон стал кандидатом на должность руководителя чикагской лаборатории в 1965 году, когда он разрабатывал конструкции ускорителей в Корнеллском университете. В это время Комиссия по атомной энергетике США попросила ученых представить свои планы по строительству новой установки. Одно предложение из бывшей лаборатории Уилсона в Беркли оказалось на его столе. Уилсон детально изучил это предложение и подверг его резкой критике: ускоритель был спроектирован с избыточным запасом прочности и соответственно завышенной стоимостью в 340 млндолларов. Эта цифра показалась ему неоправданно высокой. Уилсон боялся, что непомерные расходы на ускорители вообще могут погубить физику элементарных частиц. Если речь шла о крупных проектах, Уилсон всегда становился бережливым. Он понимал, что, когда какая-то научная установка создается впервые, ее, как правило, проектируют с завышенным запасом прочности и, следовательно, процесс строительства будет дорогим и слишком долгим.

Два года спустя комиссия, рассмотрев более ста предложений по конструкциям ускорителей, призвала Уилсона и попросила его построить лабораторию так, как он считал нужным. Когда строительные работы начались, Уилсона вызвали на слушания в Объединенный комитет конгресса по атомной энергии, где он должен был ответить на вопросы по проекту. В слушаниях, состоявшихся в 1969 году сенатор Джон Пасторе попросил Уилсона объяснить, как данный объект будет способствовать укреплению национальной безопасности. Уилсон ответил, что цель проекта не имеет ничего общего с безопасностью. Тогда Пасторе строго спросил ученого, а вообще зачем нужен ускоритель, каково его предназначение. На этот вопрос сенатора Уилсон ответил так: “Ускоритель имеет отношение только к уважению, с которым мы относимся друг к другу, к достоинству людей и нашему почитанию культуры. Он имеет отношение к тому, насколько мы хорошие художники, скульпторы, большие ли поэты. Я имею в виду все, что мы действительно ценим в нашей стране и на чем основывается наш патриотизм. Ускоритель не имеет отношения непосредственно к защите нашей страны, но имеет отношение к тому, ради чего ее стоит защищать”¹⁰².

Вопрос Пасторе не выглядел странным, учитывая, что дело происходило в разгар холодной войны. Политики надеялись, что ускоритель сможет подсказать, как сделать бомбы еще более разрушительными или защитить страну от внешних агрессоров. Однако предназначение ускорителя было совсем иным — его создавали, чтобы понять, какие физические законы работают в природе. А применения этим знаниям в ближайшие десятилетия могло и не найтись. Строительство все более мощных ускорителей, несомненно, шло на пользу военным, но только косвенно, поскольку способствовало подготовке множества высококвалифицированных физиков и инженеров, специалистов в области сложнейшей электроники.

Под руководством Уилсона сооружение ускорителя в Национальной ускорительной лаборатории было закончено раньше запланированного срока; более того, пучки в нем сумели разогнать до энергий более 500 ГэВ, что более чем в два раза превысило первоначально запланированный уровень, и все это сделали не выходя за рамки бюджета. Откуда возникла экономия, понять легко. Здания были построены кое-как. Туннели, вырытые для ускорителя, текли. Научного оборудования было мало, а некоторые нужные приборы просто отсутствовали. Уилсон не расстраивался. Он просмотрел список экспериментов, которые физики предложили провести на ускорителе. Как и в ЦЕРНе, отобранные эксперименты определили тип необходимых детекторов, которые нужно было монтировать сразу после сооружения самого ускорителя.

Руководство проектом во время строительства и успешный пуск сделали Уилсона в Вашингтоне настоящим героем. Но триумф продлился недолго. После окончания работ осталось 6 млн долларов, и Уилсон решил, что нет ничего предосудительного в том, чтобы потратить их на строительство не большого бустерного ускорителя (ускорителя-инжектора), который мог бы удвоить энергию пучков в ускорителе. Когда в Вашингтоне стало известно об этих планах, почему-то никто в восторг не пришел. Уилсона стали донимать звонками. Не помогло и то, что он даже спрятал телефон в своем кабинете^103.

В начале 1970-х ЦЕРН и Национальная ускорительная лаборатория в Чикаго впервые сравнялись в шансах выиграть гонку. У американских физиков было намного больше опыта, зато их лаборатория была хуже оснащена — при строительстве руководство старалось сэкономить деньги. В ЦЕРНе же европейские ученые по-прежнему сражались за новые технологии и отчаянно пытались вернуть себе достойное место в научной мировой элите. В обеих лабораториях главным приоритетом стали поиски доказательств теории электрослабых взаимодействий.

Физики и в ЦЕРНе и в Национальной ускорительной лаборатории проводили похожие эксперименты. В обоих ускорителях создавались пучки частиц, называемых нейтрино, которые перемещаются со скоростями близкими к скорости света и проходят через обычное вещество почти не рассеиваясь. Теоретики рассчитали, что в тех крайне редких случаях, когда нейтрино непосредственно налетает на другую частицу, оно отскакивает от нее, причем на картине треков можно будет увидеть про явление электрослабого взаимодействия.

В ЦЕРНе надежды на открытие возлагались на команду, возглавляемую французским физике Андре Лагарригом, и на ее 5-метровый детектор “Гаргамель”. названный в честь матери великана Гаргантюа. героя знаменитого романа Франсуа Рабле, написанного в XVI веке. “Гаргамель” принадлежал к типу детекторов, называемых пузырьковыми камерами. Благодаря их изобретению физики получили множество прекрасных изображений треков частиц. “Гаргамель” подготовили к работе, заполнив камеру 4,5 тонны фреона — жидкостью, которая циркулирует и в холодильниках. Во время эксперимента большой поршень, присоединенный к камере “Гаргамели”, вытягивался, чтобы уменьшить давление внутри детектора. При этом фреон переходил в нестабильное состояние, возникающее вблизи точки кипения. Если нейтрино врезался в электрон внутри детектора, отрикошетивший электрон пролетал через фреон, оставляя след в виде цепочки пузырьков на своем пути. С помощью триггера включалась лампа-вспышка, и след движущейся частицы снимался на пленку.

Эксперименты на “Гаргамели” шли с осени 1972 года до весны 1973-го. То там, то здесь фотографии с детектора демонстрировали треки, похожие на треки от нейтральных токов, предсказанных в электрослабой теории¹⁰⁴. Однако большинство ученых в ЦЕРНе все же не были уверены в правильности такой интерпретации. Многие тогда считали, что вероятность появления нейтральных токов столь мала, что их вряд ли когда-нибудь удастся увидеть.

В декабре Франц Йозеф Хасерт, аспирант Ахенского университета (Германия), просматривал снимки, сделанные в ходе эксперимента на Гаргамели”. Вдруг на одной из фотографий он заметил необычный спиральный след, обладающий всеми при знаками нейтрального тока. Хасерт показал снимок своему научному руководителю, а тот — Фейснеру, главе команды “Гаргамель” в Ахене. Фейснер сразу понял: это именно то, чего они все так ждали! Через несколько дней он положил фотографию в портфель и полетел в Англию, показывать ее Дональду Перкинсу, члену команды “Гаргамели” из Оксфордского университета.

В экспериментах на “Гаргамели” физики сделали 1,4 миллиона фотографий треков частиц. И среди этого огромного количества снимков можно было, как посчитали ученые, найти где-то от пяти до тридцати треков, вызванных нейтральными токами. Каждую фотографию следовало детально рассмотреть на световом столе. Это была утомительная, скучная, но необходимая работа. “Легко представить, что это был за кошмар”, — говорил позже Перкинс. К декабрю команда “Гаргамели” просмотрела только 100 000 снимков. Со временем они изучили и оставшиеся 1,3 миллиона. И нашли всего два изображения, похожие на следы нейтральных токов.

В начале следующего года Фейснер написал письмо Лагарригу, описывая полученное изображение: “Эта картинка нас сильно возбудила. На ней был достойнейший кандидат на роль нейтрального тока”. Однако как ни убедителен был снимок, физики в ЦЕРНе знали — им нужно получить еще много подобных фотографий, чтобы твердо знать, они видят те самые нейтральные токи. Но ученые уже почувствовали пьянящий запах близкого открытия...

Они вытащили свои старые пленки и принялись перепроверять изображения, чтобы убедиться, что ничего не пропустили. К делу подключились команды из других европейских стран. Для удобства фотографии сильно увеличивали, и теперь каждый мог их рассмотреть. Стоя вокруг стола, на котором лежала обсуждаемая фотография, физики спорили о происхождении какой-нибудь подозрительной полоски или симпатичного завитка. Это нейтральный ток или нечто другое? Если возникали сомнения, изображение тут же забраковывалось и откладывалось в сторону¹⁰⁵.

18 июля 1973 года Лагарриг проходил мимо полки с дневной почтой ЦЕРНа. Там лежало письмо от Карло Руббиа, возглавлявшего команду охотников за нейтральными токами в Национальной ускорительной лаборатории в Чикаго¹⁰⁶. Руббиа писал, что до него дошли слухи, будто ЦЕРН готов официально объявить об открытии нейтральных токов. Он сообщил, что у его собственной команды около 100 отчетливых изображений нейтральных токов и они готовят статью об этом. Руббиа завершал письмо предложением: обе команды признают открытия друг друга и разделяют лавры первооткрывателей. Лагарриг почувствовал — тут что-то не так. Подумав, он решил, что конкурирующие команды должны объявить о своих открытиях по отдельности, и отказался от предложения Руббиа. Его команда, писал Лагаррик своему американскому коллеге, планирует сделать объявление об открытии в течение ближайших двадцати четырех часов. Поль Мюссе, еще один физик из команды “Гаргамели”, провел семинар в ЦЕРНе, где объявил об открытии нейтральных токов. Четыре дня спустя группа послала свою работу по нейтральным токам в журнал “Physics Letters”. Через две недели Карло Руббиа тоже послал статью своей команды в американский журнал “Physical Review Letters”. Однако на этом гонка отнюдь не завершилась. Редакторы журналов направили обе статьи рецензентам, и в обоих случаях они вернулись к авторам с замечаниями. Вопрос о том, кто получит лавры победителя, повис в воздухе.

В сентябре того же года физики, работавшие в области элементарных частиц, собрались в городке Экс-ан-Прованс на юге Франции на одну из главных конференций в академическом сообществе. Поль Мюссе, решив отправиться туда на машине, выехал из ЦЕРНа и взял направление на юг. Въехав в Экс-ан-Прованс, он увидел двух человек у железнодорожного вокзала, тащивших тяжелые чемоданы и направлявшихся, скорее всего, в гостиницу. Мюссе притормозил. “Вы Салам?” — окликнул он одного из мужчин. Абдус Салам (а это был действительно он, тот самый Салам, разработавший теорию электрослабого взаимодействия независимо от Стивена Вайнберга) ответил утвердительно. “Садитесь в машину, у меня для вас новости, — сказал Мюссе. Мы обнаружили нейтральные токи”¹⁰⁷.

В том же месяце в “Physics Letters” была опубликована статья команды “Гаргамель по нейтральным токам. Она утвердила приоритет открытия за ЦЕРНом и таким образом прославила его. Однако ликование длилось недолго.

В Национальной ускорительной лаборатории в Чикаго команда Руббиа приостановила публикацию своей статьи. Незадолго до того физики решили отрегулировать детектор, чтобы улучшить его характеристики. Было решено пока задержать выход статьи — вдруг удастся получить лучшие результаты. Однако когда детектор заработал снова, результаты резко ухудшились. Треки, которые раньше выглядели как следы нейтральных токов, исчезли!

К ноябрю американская команда полностью поменяла свою точку зрения на ситуацию с нейтральными токами. Их обновленный детектор не фиксировал токов. Физики быстро подготовили черновик статьи, в которой описали причины отказа от выводов своей первой статьи. Заключение маститых специалистов из Фермилаба и университетов Гарварда, Пенсильвании и Висконсина могло нанести мощный удар по репутации ЦЕРНа и дискредитировать выводы европейских ученых.

Несколько недель спустя Карло Руббиа прибыл в ЦЕРН с письмом для Лагаррига от ученых из Национальной лаборатории. Там были плохие новости. “Мы написали статью, — сообщали американцы, — предназначенную для публикации в “Physical Review Letters”, которая скоро будет послана в редакцию. Копия, конечно, будет направлена вам, но по очевидным причинам мы хотели бы неофициально поделиться нашими результатами до ее публикации”. Лагарриг показал письмо членам своей группы. Когда уже все в ЦЕРНе знали о послании американцев, генеральный директор ЦЕРНа Вилли Йенчке созвал срочное заседание группы “Гаргамели” и устроил перекрестный допрос по поводу надежности их результатов¹⁰⁸. Если команда Руббиа права, ЦЕРН должен был пройти через ужасное унижение. Однако сотрудники “Гаргамели” стояли на своем. Они рассмотрели все процессы, способные привести к появлению подобных треков в детекторе и исключили все, кроме нейтральных токов. Наши результаты правильны, утверждали они, независимо от того, что получилось у американцев.

Вскоре после возвращения Руббиа из ЦЕРНа у его группы в Национальной ускорительной лаборатории возникли очередные сомнения. Один из членов команды, Дэвид Клайн, заметил восемь событий, зарегистрированных детектором и убедительно свидетельствующих о присутствии нейтральных токов. И теперь вместо того, чтобы отправить вторую статью, в которой авторы похоронили надежду их обнаружить, американская команда опять вернулась к своей первоначальной статье, уже пролежавшей более четырех месяцев в издательстве журнала. Они слегка переделали ее. Вся эта история с очевидностью продемонстрировала не только то, что американская команда находилась под огромным давлением, но и то, что для понимания процессов, происходящих в сложных установках, нужен большой опыт. Остряки шутили, что американские физики охотились на “переменные нейтральные токи”. Работа чикагских физиков была опубликована в апреле 1974 года.

Интенсивные усилия по обнаружению ней тральных токов изнурили команды и в ЦЕРНе, и в Национальной ускорительной лаборатории (вскоре после этого переименованной в Фермилаб). Но результат стоил таких усилий. Это было первое доказательство того, что теория электрослабых взаимодействий правильна и что на ранней стадии развития Вселенной электромагнитное и слабое взаимодействия были объединены.

Не так много научных открытий было должным образом оценено современниками. Поначалу открытия часто кажутся непонятными, загадочными и не имеющими никакого практического применения. Затем, по мере того как растет число ученых, работающих в данной области, значимость их становится ясна. Нейтральные токи — отличный тому пример. Более чем через десять лет после того, как они были обнаружены, ученые начали подозревать, что эти токи играют решающую роль в судьбах умирающих звезд. Судьба стареющих звезд — одна из величайших загадок Вселенной: казалось бы, их свечение в конце жизни должно постепенно ослабевать и в конце концов совсем затухнуть. Однако вместо этого старая звезда вдруг эффектно взрывается с образованием сверхновой! Считается, что в таких сверхновых звездах высвобождается столько энергии, сколько выделит Солнце за всю свою жизнь. Смертельная агония звезды выглядит действительно драматично.

По всей видимости, нейтральные токи управляют взрывами сверхновых звезд, и в процессе таких взрывов и образуются все тяжелые элементы — те самые, что когда-то попали на Землю и без которых жизнь на нашей планете никогда бы не возникла.

Может оказаться, что нейтральные токи регулируют и другие процессы в окружающем нас мире — так, вероятно, именно они отвечают за асимметрию молекул. Действительно, многие молекулы существуют в двух формах, которые во всем идентичны за исключением того, что они зеркально отображают друг друга. Ученые называют их левыми и правыми формами. (Такой вид симметрии называется “хиральность”.) Одна из причуд природы состоит в том, что в некоторых случаях очень важно какая молекула участвует в процессе — правая или левая.

Ричард Фейнман продемонстрировал это свойство молекулярной асимметрии в своих корнеллских лекциях, опубликованных в 1965 году. Фейнман описал эксперимент получения сахара из простейших ингредиентов. Молекулы сахара не сложные — они состоят из 12 атомов углерода, 22 атомов водорода и и атомов кислорода. Что произойдет, если вы положите такой синтетический сахар в небольшое количество воды и добавите бактерии? Оказывается, бактерии съедят только половину сахара. И вот почему. Синтетический сахар содержит равное количество левых и правых молекул. Оба вида молекул химически идентичны, но симметрия их зеркальная. В природе по неизвестным пока причинам молекулы сахара существуют лишь в правой форме, и бактерии эволюционировали так, что могут переварить только эту форму. Если они сталкиваются с левыми молекулами сахара, они их не трогают, потому что просто не знают, что с ними делать. Асимметрия в прямом смысле заложена в наших генах. Двойные спирали нашей ДНК, как и аминокислоты, из которых они сделаны, — “левые”. Происхождение этой асимметрии в природе — одна из самых интригующих загадок биологии.

Ее вероятную разгадку предложил в 1984 году Стивен Мейсон, химик из лодонского Королевского колледжа. Такие частицы, как электроны и кварки, имеют спин, собственный момент количества движения, и он тоже бывает левым или правым. Сила, переносчиками которой являются Z-частицы, действует только на частицы с левым спином. Расчеты Мейсона показали, что, если принять во внимание этот факт, левые формы аминокислот и правые формы сахаров оказываются устойчивее, чем их зеркальные партнеры. Может быть, еще до появления жизни на Земле нейтральные токи сделали некоторые молекулы более стабильными, и они постепенно стали доминантными формами во Вселенной.

Причины асимметрии в природе имеют не только научный интерес. Понять, почему левые и правые молекулы ведут себя по-разному, очень важно для медицины. В 1960-х годах тысячи женщин, ждущих ребенка, чтобы справиться с утренней тошнотой, принимали на ранних стадиях беременности препарат талидомид. Оценки показали, что непосредственным результатом приема этого препарата явилось рождение более 10 000 детей с серьезными дефектами. У многих из них отсутствовали руки и ноги. Препарат вызывал неправильное развитие глаз и ушей, наносил вред сердцу, почкам, пищеварительной системе, половым органам и нервной системе младенцев. Чтобы возник такой сбой в развитии плода, было достаточно разовой дозы препарата. Препарат изготавливался в виде смеси “левых” и “правых” молекул, но ученые теперь знают, что утреннюю тошноту помогала снимать только одна форма, а другая, вероятно, сдерживала активность генов развивающегося эмбриона и вызывала врожденные пороки. Лекарство безопасно, если оно содержит только одну форму молекул.

Роль нейтральных токов в жизни на Земле заинтриговала Абдуса Салама через много лет после того, как он выдвинул идею объединения электромагнитных и слабых взаимодействий. В 1988 году на лекции, посвященной памяти Поля Дирака, он сказал: “Сегодня в научном сообществе все более и более растет уверенность в том, что электрослабая сила является настоящей “силой жизни” и что Бог создал Z-частицы, дабы обеспечить асимметрию “молекул жизни”.

ЦЕРН отметил свой первый крупный успех — открытие нейтральных токов. Эти мимолетные свидетельства того, что теория электрослабых взаимодействий правильна, убедили всех, что и W- и Z-частицы все-таки существуют. Теперь целью ученых стало обнаружение загадочных частиц, поскольку только это бесспорно доказало бы правильность теории электрослабых взаимодействий.

Но тут на пути физиков встало серьезное препятствие. Оказалось, что W- и Z-частицы очень неустойчивы, время жизни их чрезвычайно мало. То есть требовалось их создать искусственно, и задача сия не обещала быть легкой. В 1970-х годах ни один из готовых или еще строившихся ускорителей не мог развить достаточно энергии, чтобы там родились эти частицы. У физиков было два варианта: либо ждать, пока появятся время и деньги на строительство более крупных и мощных ускорителей нового поколения, либо быстро придумать и сконструировать какой-либо паллиатив.

В первых ускорителях высоких энергий использовались пучки частиц, врезающихся в мишени и разрушающих вещество с помощью грубой силы. Чем меньшие фрагменты вы хотели изучать, тем большие энергии нужно было получить. Чтобы отодрать электроны от атома, требуется относительно мало энергии, потому что электроны в атоме связаны с ядром обычными электрическими силами. Ядра же — крепкие орешки: частицы внутриядерные — протоны и нейтроны — связаны друг с другом сильным взаимодействием (гораздо более сильным, чем электромагнитное).

Следующее поколение ускорителей должно было разгонять пучки до еще более высоких энергий. Большинство частиц, интересовавших физиков, не существует в свободном виде в природе, а потому они должны быть созданы искусственно. Возможность этого ясна из уравнения Эйнштейна Е=mc². В новых ускорителях частицы создавались непосредственно из выделяемой энергии при бомбардировке мишени пучками высоких энергий. Согласно расчетам теоретиков, для получения Z-частицы необходима полная энергия столкновений не меньше 92 ГэВ, а для получения W-частиц — около 160 ГэВ (энергия каждой равняется 80 ГэВ, а рождаются они парами).

В конце 1960-х годов Герш Ицкович Будкер, одаренный советский физик, основатель и первый директор новосибирского Института ядерной физики СО АН СССР, к тому же обладавший явной предпринимательской жилкой (Будкер и его коллеги поставили работу на коммерческую основу — они продавали создаваемые ими ускорители и их части, в том числе и за границу, а на вырученные деньги проводили свои исследования), выдвинул радикальную идею значительного наращивания энергии ускорителей. Будкер придумал конструкцию ускорителя, в котором вместо того, чтобы нацеливать ускоренные частицы на неподвижные мишени, пучки протонов направляли навстречу пучкам антипротонов — аналогов протонов в мире антиматерии. При таком соударении должна была выделяться огромная энергия.

Идея заставить частицы сталкиваться лоб в лоб была не нова. Несколько команд, работающих на ускорителях, уже проверили возможность реализовать эту идею и доказали ее работоспособность. Преимущество этого способа становится ясным, если представить себе вместо частиц автомобили. Когда одна машина врезается в другую, припаркованную, большое количество энергии идет на то, чтобы проволочь стоящий автомобиль вперед. То же самое происходит и в ускорителях. Когда частицы с высокими энергиями врезаются в неподвижные, много энергии тратится впустую — на то, чтобы частицы мишени затолкнуть внутрь. При лобовом столкновении дела обстоят совсем иначе. Когда две частицы на высоких скоростях сталкиваются лоб в лоб, они останавливаются, и почти вся высвободившаяся энергия может быть использована на образование новых частиц.

Гениальность предложения Будкера состояла в идее использования антивещества. Частицы антивещества имеют точно такую же массу, что и их партнеры, но равный и противоположный по знаку электрический заряд. Это означает, что вы можете запустить протоны и антипротоны в ускоритель и получить пучки, закручивающиеся в противоположных направлениях, при этом даже не потребуются деньги на модификацию установки, поскольку она не нужна. Все, что необходимо сделать, — это столкнуть пучки внутри детектора и сделать снимки осколков, выбрасываемых при таком жестком столкновении.

Однако было одно препятствие, которое угрожало сорвать планы Будкера. С антиматерией трудно иметь дело. Ученые тогда еще не умели создавать из античастиц чистые пучки высокой энергии. Но Г. И. Будкер в Новосибирске и ведущий физик ЦЕРНа Симон ван дер Меер, работая над этой проблемой, нащупали какое-то перспективное решение. Они показали, что, если достаточно интенсивные пучки антипротонов охладить, они будут вести себя достаточно стабильно. Если пучки нормальных протонов создают, ускоряя ядра водорода, вылетающие прямо из газгольдера (потом их легко заставить двигаться в одном направлении), то антипротоны можно получить, только направив пучки протонов на металлическую мишень и собрав случайно вылетающие частицы антивещества. Антипротоны, полученные таким способом, представляют собой ансамбль античастиц с различными энергиями. По идее охлаждение должно было превратить их в тонкие, однородные пучки.

Летом 1976 года в активе Фермилаба имелось пять предложений по преобразованию ускорителя в протон-антипротонный коллайдер. Два из них поступили от членов команды Карло Руббиа. После детального обсуждения наблюдательный комитет отверг все пять на том основании, что еще слишком рано решать вопрос о выборе будущей тематики лаборатории. Вместо этого наблюдательный комитет решил, что нужно провести более глубокие исследования. Воспользовавшись ситуацией, Уилсон запросил 490 тыс. долларов на сооружение небольшой установки для проверки возможности охлаждения пучков антивещества.

Руббиа был разочарован. Причем настолько, что даже покинул США, пересек Атлантический океан и предложил свой проект ЦЕРНу. Европейцы тогда только что запустили новый ускоритель элементарных частиц — суперпротонный синхротрон (SPS), в котором в подземном кольце диаметром около 7 километров частицы разгонялись, после чего врезались в твердые металлические мишени. В ЦЕРНе Руббиа увидел желание рискнуть. Генеральный директор по исследованиям Леон Ван Хов боялся, что Фермилаб опередит их, поскольку американский ускоритель работал на энергиях 500 ГэВ, что на 100 ГэВ превышало энергию церновского ускорителя. И тогда Ван Хов приложил гигантские усилия, чтобы добиться разрешения на превращение ускорителя в протон-антипротонный коллайдер. Ван Хов решил, что так он обретет шанс первым найти W- и Z-частицы. В обращении к сотрудникам он написал, что в противном случае ЦЕРН обречен лишь на “повторение, пусть и на более высоком уровне, экспериментов, уже сделанных или подготовленных к проведению на ускорителе в Фермилабе”¹⁰⁹. В физике нужно уметь рисковать, если вы хотите получить “что-то большее, чем просто хлеб с маслом”.

Ван Хов был генеральным директором ЦЕРНа по исследованиям, а инженер Джон Адамс — исполнительным генеральным директором, и они разделяли ответственность за результативность проектов. Оба начальника отчаянно спорили по поводу предложения Руббиа. Адамс опасался, что европейские страны, финансировавшие ЦЕРН, прореагируют болезненно на это предложение. Они уже заплатили за новый, только что запущенный ускоритель частиц, и вдруг ЦЕРН опять будет просить у них деньги на радикальную модернизацию ускорителя, да еще и на столь рискованный проект! Ван Хов стоял на своем: план Руббиа — лучший вариант, они должны сделать открытие первыми, и ЦЕРН должен немедленно принять предложение американца. На одном заседании страсти так накалились, что Ван Хову пришлось напомнить Адамсу, кто тут руководитель научных программ, и, уже придя в полное неистовство, он заявил, что уйдет в отставку, если Адамс не поддержит его план.

В конце концов Ван Хов добился своего — ускоритель решили подвергнуть капитальной реконструкции. Инженеры и ученые ЦЕРНа собрались вместе, чтобы обсудить, возможно ли это и что нужно сделать. Ученым предстояло доказать, что, во-первых, пучками антивещества можно управлять и, во-вторых, их можно использовать в ускорителе. Если бы они это сумели, то следующим этапом стало бы сооружение новых установок для получения антиматерии и помещения для хранения новых экзотических частиц. Прошел год работы, и инженеры сообщили хорошие новости: им удалось довести в своих экспериментах время жизни антивещества с нескольких микросекунд до 32 часов, а затем охладить антивещество и получить однородные интенсивные пучки. Похоже, Ван Хов поставил на правильную лошадку.

А Джон Адамс отметил достижения своих инженеров своеобразным способом. 8 июня 1978 года он написал стихотворение об успехах Руббиа и ван дер Меера и послал его в виде докладной записки¹¹⁰. Стихотворение — слишком субъективное и обидное, чтобы его здесь цитировать, — в поэтической форме описывало, как Руббиа использовал талант ван дер Меера в своих корыстных карьерных целях.

Месяцем позже сотрудники ЦЕРНа собрались в аудитории послушать, что скажет Адамс. Он высоко оценил эксперименты с антивеществом и особую роль Симона ван дер Меера, сыгравшего ключевую роль в том, что работа оказалась столь успешной. “Это дает возможность провести модернизацию ускорителя, ранее практически немыслимую”, — заявил Адамс. Действительно, после переделки в коллайдере при столкновении пучков протонов и антипротонов могла бы высвобождаться энергия до 540 ГэВ! Правда, при этом Адамс саркастически заметил, что лаборатория может обанкротиться, зато в ней родилось множество идеи. Свою язвительную речь он завершил так: “В заключение хотел бы добавить: идея модернизации установки — бизнес-проект сотрудника ЦЕРНа Карло Руббиа, предпринимателя и известного трансатлантического “челнока”.

Брошенный в огород Руббиа камень не понравился ряду сотрудников ЦЕРНа. В следующем месяце Адамс был вынужден публично извиниться¹¹¹. В письме сотрудникам он написал: “Я охарактеризовал Руббиа как предпринимателя, что на современном английском деловом жаргоне означает человека, который в первую очередь видит преимущества плана и выгоду от его реализации и только во вторую очередь — возможность его успешного завершения. К сожалению, у слова “предприниматель”, кажется, есть и другой, менее приятный смысл, и мое замечание было воспринято — ошибочно — некоторыми сотрудниками ЦЕРНа как оскорбление”.

Вскоре в ЦЕРНе началась работа по переделке ускорителя. Важным новым объектом стала система по созданию и хранению антивещества. Антипротоны получались при столкновении пучка протонов с металлической мишенью. На каждый миллион протонов, врезающихся в мишень, образовывался один антипротон. Антипротоны выкачивались, охлаждались и собирались в готовые к запуску в ускоритель пучки.

Для регистрации столкновений частиц требовались детекторы, и, чтобы сделать помещение для них, вырыли две огромные пещеры рядом с ускорителем. Первый детектор был огромным, очень сложным. Он весил более 2000 тонн. Конструкцию его разработал Карло Руббиа. Второй — меньше проще и дешевле — делала команда во главе с французским физиком Пьером Дарьюла. Детектор Руббиа был Голиафом, а детектор Дарьюла — Давидом, впрочем, ЦЕРН дал им более прозаические имена — UA1 и UA2 — по названию пещер, в которых они были установлены.

Строительные работы были в разгаре, когда в 1979 году Питер Хиггс прибыл на конференцию в Женеву. Конечно же он воспользовался шансом посетить ЦЕРН. Хиггсу устроили экскурсию по стройке и показали зияющую дыру в земле, где собирались монтировать установки для получения и хранения антипротонов. В то время работа Хиггса по суперсимметрии в Эдинбурге продвигалась с большим скрипом. Ему стало казаться, что только новое поколение, молодые люди, недавно защитившие свои докторские диссертации, могли сделать что-нибудь стоящее. “То, что они делают за дни, у меня отнимает недели”. — говорил Хиггс.

Говорят, что Эйнштейн однажды заметил, по-видимому полушутливо, что “не получивший заметного научного результата до тридцати лет потом уже никогда этого не сделает”. Сказал ли Эйнштейн эту фразу или нет, но определенная истина в ней несомненно присутствует. В то время Хиггс мучительно размышлял об этом. Он признавался. Я действительно много времени потратил на глупости, поэтому через некоторое время сдался. Мне было грустно. Я больше не мог конкурировать, и мне пришлось признать это”.

А тем временем в Фермилабе, расположенном на окраине Чикаго, разразился кризис. Напряженность в отношениях Роберта Уилсона с вашингтонскими чиновниками быстро нарастала. Уилсона назначили руководить строительством бустерного кольца для ускорителя Фермилаба, в котором использовались сверхпроводящие магниты. С его вводом рассчитывали достичь рекордной энергии 1000 ГэВ. Уилсон считал само собой разумеющимся, что Вашингтон будет финансировать этот проект, но вместо этого он был вызван на ковер для обсуждения сокращения финансирования проекта. Уилсон пытался увильнуть от участия в обсуждении, говоря, что его дело — запускать ускоритель, а не идти с протянутой рукой к чиновникам. Переговоры зашли в тупик, в результате проект потерял шансы на успех. 9 февраля 1978 года Уилсон сдался. В своем заявлении об отставке он жаловался, что из-за плохого финансирования ускоритель Фермилаба работает только на половинной мощности. Как конкурировать с ЦЕРНом, получающим в два раза больше денег? “Наши планы компенсировать их финансовые преимущества за счет увеличения энергии протонов на ускорителе Фермилаба до 1000 ГэВ с помощью использования сверхпроводящих магнитов разрушены из-за нерешительности властей и отсутствия минимальной поддержки”, — с горечью писал он.

В последние месяцы в Фермилабе Уилсон начал работать над прощальным подарком лаборатории — 10-метровым стальным гиперболоидным обелиском. При составлении сметы на сооружение скульптуры он, к своему ужасу, обнаружил, что только один счет — от сварщиков — составил 20 тыс долларов. Уилсон отреагировал в свойственной ему манере — заявил, что будет варить обелиск сам¹¹². Но тут возникла другая проблема. Местные сварщики, работающие в лаборатории, заявили, что ему не разрешено этого делать. “Почему это я не могу? Я — директор, — сказал Уилсон, — и могу делать все, что хочу”. Сварщики объяснили, что если он это сделает, то они уволятся. Сварочный цех в Фермилабе был отделением профсоюза сварщиков, а Уилсон не был членом профсоюза. Тогда Уилсон вступил в профсоюз, зарегистрировался в качестве ученика сварщика и стал работать над скульптурой все свободное время. Уилсон назвал скульптуру “Аква Алле Фуни” (Воду на канаты). Фраза эта взята из истории Рима XVI века, которую Уилсон пересказывал так: “В полной тишине, чтобы звуки не помешали, толпа сановников смотрела, как около тысячи человек с лошадьми поднимали на веревках египетский обелиск, стараясь поставить его вертикально. Когда обелиск был наполовину поднят, жар полуденного солнца нагрел канаты, и они стали трещать, растягиваться и проскальзывать. Когда обелиск накренился вбок, один генуэзский матрос из толпы крикнул “Аква алле фуни!”, что означает “Воду на канаты!”. Людям, поднимающим обелиск, было приказано пролить на канаты воду из бочонков; веревки опять натянулись и выровняли обелиск”.

Вечернюю церемонию открытия и освящения обелиска Уилсон решил посмотреть с небольшого катера — недалеко от главного здания Фермилаба был пруд. Уилсон поднялся на борт с бутылкой шампанского, к нему присоединился Норман Рамсей, председатель Ассоциации университетских исследований (именно ему Уилсон подал свое заявление об отставке). Когда случилась заминка в церемонии, Уилсон не удержался и крикнул в сторону берега: “Воду на канаты!”

Фермилабу был крайне необходим новый, мудрый и дальновидный лидер. Таким человеком был Леон Ледерман из Колумбийского университета в Нью-Йорке. Ледермана высоко ценили, у него была репутация ученого, глубоко преданного науке. Он сделал себе имя в физике, открыв новые частицы. Кроме того, у него было чудесное чувство юмора, в тяжелые моменты он умел вовремя пошутить, тем самым разрядить обстановку и поднять моральный дух своих сотрудников. Однажды во время пребывания в Брукхейвенской национальной лаборатории на Лонг-Айленде Ледерман наблюдал за экспериментом, в котором требовалось оградить оборудование толстым металлическим экраном. Ледерман каким-то образом раздобыл старую пушку с военного корабля, но, когда ее установили, оказалось, что внутри стальной трубы вырезан паз, который может помешать эксперименту. Ледерман нашел худосочного студента и попросил его залезть в пушку — забить мешающий паз тонкой стальной стружкой. Студент возился полчаса, а когда наконец выполз, заявил: “Хватит. Я ухожу”. Ледерман стал упрашивать молодого физика: Но вы не можете так уйти. Где я возьму другого студента нужного калибра?”

Когда речь заходила о физике, Ледерман становился романтиком. Он писал, что его каждодневная работа “заполнена тревогой, болью, лишениями напряженностью, приступами отчаяния, депрессии и уныния”. Все это было правдой, говорил Ледерман но все это стоило пережить ради редких моментов когда тебе приоткрывается что-то новое. Лучшие идеи, утверждал он, всегда приходят рано утром, когда большинство людей еще спит. “Ты смотришь, смотришь и вдруг видишь, что несколько цифр выпадают из ряда прочих — всплеск в данных. Ты обрабатываешь их с помощью разных статистических методов, ищешь ошибки, но пик не исчезает! Он реально существует. Значит, ты что-то нашел! На свете просто не существует ощущения, сравнимого с этим”.

Ледерман приехал в Фермилаб и увидел, что там явно не все в порядке. Сотрудники нервничали и хотели знать, что их ждет в будущем. Будет ли реанимирован проект сверхпроводящего бустерного кольца Уилсона, который позволил бы построить самый мощный в мире коллайдер частиц с энергиями 1000 ГэВ, или же лаборатория пойдет тем же путем, что и ЦЕРН, и преобразует основное кольцо уже существующего ускорителя в протон-антипротонный коллайдер? Чтобы решить эту проблему, Ледерман организовал некое действо, которое назвал День перемирия. Каждый мог высказать свой взгляд на будущее лаборатории, если он у него имелся. Ле дерман пригласил трех мудрецов-мэтров — Бойса Макдэниела из Корнеллского университета, Мэттью Сэндса из Калифорнийского университета в Санта-Крусе и Бертона Рихтера со Стэнфордского линейного ускорителя — присутствовать в качестве судей. Их роль состояла в том, чтобы “с помощью умных, острых вопросов постараться сбить сторонников той или иной точки зрения с их позиции”.

Собрание началось в 9 часов утра и ноября 1978 года и продолжалось до 3 утра следующего дня. Измученные бурными, весьма эмоциональными спорами, физики решили закрыть прения — они с нетерпением ждали решения Ледермана. На следующее утро за кофе и сэндвичами с лососем Ледерман с тремя мудрецами обсудили ситуацию. Преобразование основного ускорительного кольца в протон-антипротонный коллайдер дало бы шанс обогнать ЦЕРН в поисках W- и Z-частиц, но доводы сторонников этого плана не показались мэтрам и Ледерману убедительными. Вместо этого он решил бросить все ресурсы на строительство сверхпроводящего бустерного кольца, которое и собирался сконструировать Уилсон, и таким образом превратить ускоритель в более мощный коллайдер. Будущий ускоритель назвали “Теватроном”.

Решение Ледермана вовсе не означало, что ЦЕРН остался единственным участником гонки за первенство в открытии W- и Z-частиц. В Брукхейвенской национальной лаборатории тоже вовсю разрабатывались планы по строительству нового коллайдера, предназначенного специально для охоты за предсказанными частицами. В машине, названной “Изабель”, конструкторы решили использовать сверхпроводящие магниты, и она должна была быть запущена в начале 1980-х годов. Примерно в то же время готовился к экспериментам и модернизированный европейский коллайдер. Работы в ЦЕРНе шли успешно. Установки для получения и хранения антипротонов были запущены и работали. Детекторы установлены на свои места и проверены Системы охлаждения пучков заработали. В июле 1981 года после героических трехгодичных усилий в реконструированном ускорителе встретились первые пучки антипротонов и протонов. В течение нескольких часов камеры детекторов регистрировали столкновения частиц и античастиц, которые исчезали, оставляя после себя “облако” высокой энергии.

В Брукхейвене же коллайдер “Изабель” столкнулся с серьезными трудностями. Оказалось, сконструировать сверхпроводящие магниты не так просто, как думали американские инженеры. В то время как в ЦЕРНе физики уже начали с помощью своего модернизированного ускорителя поиски новых частиц, инженеры в Брукхейвенской лаборатории еще только работали с масштабными моделями. До настоящих испытаний коллайдера оставалось еще несколько лет.

Поскольку Фермилаб, а теперь и Брукхейвенская лаборатория выпали из гонки за право первыми обнаружить W- и Z-частицы, между собой соревновались две команды ЦЕРНа. Хотя оба — Карло Руббиа и Пьер Дарьюла — работали в одной и той же лаборатории, они возглавляли две независимые группы физиков и курировали два разных детектора. Правила игры в ЦЕРНе были таковы: группы, работающие на различных детекторах, не показы вали сразу свои данные друг другу. Это обеспечивало уверенность в правильности результата: если одна команда делает открытие, другая его проверяет и либо подтверждает, либо опровергает. Кроме того, это обеспечивало лояльность команд и заставляло их соревноваться друг с другом.

В августе 1982 года всем руководителям ЦЕРНа объявили, что они должны подготовиться к приему важного гостя. Имя держалось в секрете, но было строго приказано обеспечить безопасность гостя, и физики провели тщательный осмотр установки на случай, если кто-то спрятал там бомбу. Важным гостем оказалась Маргарет Тэтчер, тогдашний премьер-министр Великобритании. Ей организовали частный визит в лабораторию. Он пришелся на период свертывания боевых действий в войне за Фолклендские острова. Тэтчер, химик по образованию, закончила Оксфордский университет, и, попав в лабораторию, она настаивала, чтобы с ней общались как с коллегой. Физики рассказали миссис Тэтчер про охоту на W- и Z-частицы и про то, как в случае их обнаружения будет доказана теория электрослабого взаимодействия, то есть объединения электромагнетизма и слабого взаимодействия. По ходу экскурсии ученый из команды Карло Руббиа Алан Астбери сделал краткую презентацию и сказал: “Если нам повезет и Дед Мороз существует, мы увидим W-частицы до конца года”. Услышав это, Тэтчер наставила палец на Астбери и сказала: “Отлично, я позвоню вам в январе — узнать, нашли ли вы эти таинственные частицы”. Она не уточнила, что будет делать, если физикам не удастся их найти. Перед отъездом Тэтчер взяла с генерального директора ЦЕРНа Хервига Шоппера обещание связаться с ней лично, как только частицы обнаружат¹¹³. Ей хотелось узнать об этом не из газет”, — вспоминал Шоппер.

К ноябрю коллайдер частиц в ЦЕРНе уже заработал и развил энергию достаточно высокую для того, чтобы из нее могли родиться W-частицы (если, конечно, они действительно существовали). Из миллиардов зарегистрированных столкновений Руббиа и Дарьюла отобрали миллион для детального анализа. Сама W-частица столь неустойчива, что исчезает почти сразу, как только рождается, поэтому церновские команды искали не ее саму, а продукты ее распада — электроны (или их антиподы в мире антиматерии позитроны) и нейтрино. Поскольку нейтрино пролетают через детекторы, не оставляя следа, ученые определяют их присутствие по потере энергии в столкновениях с другими частицами — вылетая, нейтрино уносят энергию с собой.

До конца года команда ЦЕРНа зарегистрировала несколько столкновений, которые выглядели так, будто в них рождались W-частицы. Все необходимые проверки и сбор доказательств могли занять несколько месяцев. Поскольку приближалось Рождество, Хервиг Шоппер отправил поздравление Маргарет Тэтчер на Даунинг-стрит, 10. Напомнив премьер-министру об обещании связаться с ней, как только W- и Z-частицы будут обнаружены, он писал: “Мне хотелось бы к рождественским поздравлениям прибавить сообщение о том, что открытие действительно сделано, и, хотя неопровержимых доказательств еще нет, я тем не менее рад сообщить Вам строго конфиденциально, что недавно полученные результаты указывают на его неизбежность”. Он подписался, заверив Тэтчер, что свяжется с ней сразу же, как только “будут получены окончательные и неопровержимые доказательства”.

В январе следующего, 1983 года на конференции в Риме Дарьюла и Руббиа впервые представили свои последние результаты. Руббиа описал пять столкновений, похожих на рождение W-частицы, но подчеркнул, что результаты “очень предварительные”. Один слайд в докладе Руббиа был подписан так: “Si sono rose, fioriranno”, что означает: “Если это розы, они обязательно будут цвести”¹¹⁴. Дарьюла выступал после Руббиа. Он также был весьма осторожным и выделил четыре столкновения, которые, казалось, демонстрируют рождение W-частиц. Так случилось, что Леон Ледерман должен был выступить на этой конференции с заключительным словом. Открытие W- и Z-частиц кажется неизбежным, сказал он, но призвал своих коллег-физиков развивать в себе здоровый скептицизм до тех пор, пока результаты не станут более убедительными¹¹⁵.

Через неделю Руббиа и физик из команды Дюрьюла по имени Луиджи ди Лелла докладывали результаты, полученные обеими командами, перед учеными ЦЕРНа в аудитории центра. Руббиа выступал в первый день. Он подчеркнул, что решающее значение для соревнующихся команд имеет согласованность их действий на пути к важнейшему открытию. Ди Лелла выступил на следующий день. Он сказал, что его команде еще необходимо подтвердить их результаты, прежде чем можно было бы с уверенностью утверждать, что открытие сделано Сразу после выступления ди Лелла Руббиа созвал свою команду. Он считал, что пришло время публиковаться. Руббиа вытащил черновик статьи с описанием данных, полученных к тому времени, и сказал, что любой, кто хочет внести изменения, должен сделать это до конца дня. В статье не утверждалось, что W-частицы обнаружены, но были представлены имевшиеся к тому времени свидетельства их рождения. Рукопись передали в редакцию “Physics Letters”, работавшую тут же, в ЦЕРНе.

Следующий день был суббота, но в ЦЕРНе жизнь кипела как обычно. Утром Карло Руббиа по пути в столовую столкнулся с ди Лелла, и они немножко поболтали. Руббиа сказал, что обе команды должны помнить о риске, на который идут, публикуя результаты раньше времени. “Если вы хотите публиковать сейчас — ваше дело, но если зарегистрированные события не рождение W-частиц, а что-то еще, ваша карьера на этом и закончится”, — предупредил он. “Нет, мой Бог, нет! — воскликнул ди Лелла. — Мы же не сумасшедшие, спешить не будем. Мы обязательно все как следует обдумаем”. А статья Руббиа тем временем была уже на столе рецензента.

В понедельник утром Руббиа получил известие, что публикация статьи одобрена. Сразу же один из членов его команды вылетел в Амстердам со статьей, чтобы передать ее в руки издателя. Хервиг Шоппер тогда был в командировке в Японии, там он и получил телекс, в котором сообщалось, что статья принята. Он тут же отправил факс Маргарет Тэтчер, в котором говорилось, что W-частицы обнаружены, и полетел обратно в ЦЕРН. На следующий день Шоппер созвал пресс-конференцию с Руббиа и ван дер Меером с одной стороны и Дарьюла с другой. В пресс-релизе, выпущенном в тот же день, сообщалось, что в статье Руббиа подтверждено открытие W-частиц. На следующий день эта новость украсила первую страницу газеты “New-York Times”. Статья Дарьюла была опубликована через три недели после статьи Руббиа.

Описывая эту гонку в 2004 году, Дарьюла сказал, что у него нет никакой обиды на коллег, и похвалил осторожность, проявленную его командой. “Я горжусь тем, что мы сопротивлялись оказываемому на нас давлению, направленному на то, чтобы мы публиковали данные быстрее, чем считали правильным. Уступить было бы глупостью и ребячеством, проявлением неуважения к науке. ...Мы должны были не просто предположить, что обнаружили W-частицы, но вести себя так, как будто никто, кроме нас, их не искал”.

Летом 1983 года, через шесть месяцев после открытия W-частиц, ЦЕРН объявил, что команда Руббиа обнаружила также и Z-частицу, характерной чертой которой был ее распад на электрон и позитрон, разлетавшиеся друг от друга с огромной скоростью. Команда Дарьюла спустя некоторое время опять подтвердила открытие Руббиа. Поиски завершились впечатляющим хет-триком¹¹⁶ ЦЕРНа, и последние сомнения относительно того, что ЦЕРН — основной игрок на мировой арене, развеялись.

Открытие W- и Z-частиц — именно то доказательство, которое было необходимо физикам, чтобы окончательно поверить в теорию электрослабых взаимодействий. Оно же было и мощным доказательством правильности теории Хиггса — ведь теория электрослабых сил для физиков имеет смысл, только если механизм Хиггса или что-то очень похожее на него существует в реальности.

В перерыве между обнаружением нейтральных токов и получением первых треков W- и Z-частиц теоретики ЦЕРНа сделали первое подробное описание того, как частица Хиггса должна выглядеть, если она вдруг появится в коллайдере¹¹⁷. Пользуясь своим физическим языком, они рассказывали о ней на сорока восьми страницах — оставили некий эквивалент полицейского фоторобота. Вместо описания черт лица преступника в статье объяснялось, как частицы Хиггса могут возникать при столкновениях, в какие частицы они могут превращаться и каковы шансы их увидеть на разных установках. И наконец, теоретики прикинули, как долго эти частицы жили бы после рождения. Полученное значение находилось в интервале от 600 микросекунд до 10 фемтосекунд (10^-14 с).

Статья, написанная сотрудниками ЦЕРНа Джоном Эллисом, Мэри Гайар и Димитрием Нанопулосом, начиналась с предупреждения: “Ситуация с о зонами Хиггса неопределенная. Следует подчеркну прежде всего, что они, и это очень вероятно, не существуют в природе”. Авторы закончили статью извинениями перед экспериментаторами, работающими на коллайдере, — они признавались, что у них нет никаких идей, как рассчитать массу бозона Хиггса. Анализируя общие технические трудности поиска частицы Хиггса, Эллис, Гайар и Нанопулос делали вывод: “По этим причинам мы не призываем ставить трудоемкие эксперименты по поискам бозона Хиггса, но считаем, что ученые, ставящие эксперимент, в котором он может появиться, должны знать, как он может выглядеть”. Статья была более чем осторожная, но она дала ученым первый ориентир в охоте на частицы Хиггса.

Серия открытий, сделанных в ЦЕРНе, оказала глубокое воздействие на развитие физики элементарных частиц в Америке. Весть о том, что европейские ученые обнаружили Z-частицы, пришла за несколько дней до важнейшего совещания Консультативной комиссии по физике высоких энергий США (Нерар), планирующей выделение средств на установки для исследований. Новости из Европы заставили членов комиссии насторожиться. Американские физики теряли почву под ногами, и им была необходима сильная встряска. Джордж Киворт, физик из Лос-Аламоса, который стал научным советником Рональда Рейгана после его избрания в 1980 году, сказал, что мировое лидерство Америки в физике высоких энергий приходит к концу. В последние годы американские физики довольствовались правительственными подачками, а европейцы в это время смело двигались вперед”, — признал он¹¹⁸.

Настроение было подогрето передовицей в “New York Times”, опубликованной в июне 1983 года, на второй день встречи физиков в Вудс-Хоуле, штат Массачусетс. Заголовок был убийственный: “ЕВРОПА — 3, США — ДАЖЕ НЕ Z-НОЛЬ”. Поздравляя ЦЕРН с безусловным подтверждением теории объединения электромагнитных и слабых взаимодействий¹¹⁹, Киверт продолжал: “Плохие новости состоят в том, что европейцы стали лидерами в гонке по поиску строительных блоков материи”. Автор передовицы признал, что “национальность открытия не имеет большого значения в физике”, поскольку американцы тоже работают в ЦЕРНе и других европейских лабораториях, но подчеркнул важность конкуренции в процессе познания. Американские ускорители должны быть построены так, чтобы выиграть соревнование, иначе лучше их не строить вообще. Три мяча, забитые Европой, — это были открытия W- и Z-частиц в ЦЕРНе и открытие на немецком ускорителе глюонов (так метко назвали частицы, склеивающие кварки внутри протонов и нейтронов). Статья заканчивалась так: разгромный счет в соревновании с Европой призывает США к “серьезному реваншу”.

Через месяц комиссия Нерар опубликовала свои рекомендации. “Изабель”, Брукхейвенский ускоритель стоимостью 500 миллионов долларов, закрывался. Американским физикам был необходим такой ускоритель, который бы придал мощный им пульс в гонке за частицами, превзошел ЦЕРН в мощности и лидировал в этой области в течение следующих десятилетий. Ускоритель планировали назвать Сверхпроводящим суперколлайдером. В нем будут сталкиваться встречные пучки с ошеломляющими энергиями 40 ТэВ, что примерно в 400 раз больше, чем изначально планировалось в следующем коллайдере ЦЕРНа, который все еще находился в стадии проектирования. Цель этой удивительной новой машины — обнаружение частицы Хиггса и добыча долгожданного доказательства происхождения массы.

В статье о Сверхпроводящем суперколлайдере для американского журнала “Physics Today” Леон Ледерман и Шелдон Глэшоу предупреждали: если США не удастся построить установку, “потери понесет не только наша наука, мы все ощутим их в более широком смысле — пострадает наша национальная гордость, ослабнет уверенность в нашем технологическом превосходстве. Когда мы были детьми, Америка делала большую часть вещей лучше всех в мире. Так должно быть и впредь!”.