3 июля 1983 года в ЦЕРНе был завершен один из важнейших и в то же время наиболее трудоемких экспериментов в истории физики высоких энергий. При анализе результатов столкновений протонных и антипротонных пучков, разогнанных до энергии 270 ГэВ, ученые получили убедительные доказательства реальности промежуточных векторных бозонов, чье существование вытекало из развитой в 1960-е годы единой теории электрослабых взаимодействий.
Уже на следующий год руководитель эксперимента Карло Руббиа и один из его ключевых участников Симон ван дер Мер стали нобелевскими лауреатами. Сорокалетний юбилей этого события вполне заслуживает рассказа о том, что, почему и как было тогда сделано в Женеве.
В седьмом десятилетии прошлого века была выдвинута принципиально новая фундаментальная теория микромира, которая объединила в единой математической конструкции слабые и электромагнитные взаимодействия. Это и была единая теория электрослабых взаимодействий, о которой говорилось во вводном абзаце. Главными актерами этой великой драмы идей стали американцы Шелдон Глэшоу и Стивен Вайнберг и пакистанец Абдус Салам, чьи труды в 1979 году были увенчаны Нобелевской премией.
Однако даже самая красивая теория нуждается в подтверждениях — предпочтительно полных и разносторонних. Если говорить о единой схеме электрослабых взаимодействий, то здесь, как понимали все специалисты, золотым стандартом была бы экспериментальная идентификация предсказанных ею массивных частиц, которые делали возможным распространение этих взаимодействий в пространстве. Согласно Стандартной модели, они должны были взаимодействовать как с лептонами, так и с кварками. Заряженные промежуточные векторные бозоны (ПВБ, их также называют калибровочными) были названы W+ и W−, а нейтральный стал носить не менее гордое имя Z0.
Теория укрепилась после 1973 года, когда на церновской пузырьковой камере Гаргамель (Gargamelle) экспериментаторы зарегистрировали так называемые слабые нейтральные токи (weak neutral currents), указывающие на существование незаряженного промежуточного бозона. Конкретно, была выявлена реакция упругого рассеяния мюонного антинейтрино на электроне, приводящего к рождению тех же самых частиц. За нее отвечает слабое взаимодействие — следовательно, она должна осуществляться с помощью ПВБ. Поскольку заряды начальных и конечных продуктов не меняются, это может быть только Z0 (отсюда и название — слабый нейтральный ток). Ученые обнаружили следы этой реакции всего на трех фотографиях из общего числа миллион четыреста тысяч, которые им пришлось просмотреть. И в этом не было ничего удивительного — события с участием нейтрино отличаются исключительной редкостью. Позднее экспериментаторы прибегли к другому способу поиска нейтральных токов и после анализа 290 тысяч снимков выявили 166 релевантных событий. Поскольку фотографии тогда изучались без всякой помощи компьютеров, просто с помощью оптических сканеров, это все равно была адская работа.
И все же это были только косвенные подтверждения. К началу 1980-х годов сами ПВБ так и не были обнаружены — и отнюдь не случайно. Радиус действия слабого взаимодействия приблизительно в сто раз меньше радиуса сильного взаимодействия. Отсюда сразу следует, что массы ПВБ должны где-то на пару порядков превышать массы пи-мезонов — следовательно, исчисляться десятками ГэВ. Более точные вычисления, первые из которых выполнил Стивен Вайнберг, оценивали минимальную массу заряженных ПВБ в 60 ГэВ, а масса Z0, согласно теории, должна была быть даже больше, хотя и ненамного. К концу 1982 года новые эксперименты позволили сильно поднять эти оценки. Согласно тогдашним данным, оба заряженных ПВБ тянули на (79,2 ± 1,5) ГэВ, а их нейтральный партнер — на (90,7 ± 1,2) ГэВ. Ни один из ускорителей, запущенных до начала последней четверти прошлого века, даже и близко не давал надежду на рождение частиц с массами 80 и 90 протонных масс.
Первой машиной, на которой были получены и изучены промежуточные векторные бозоны, стал Протонный суперсинхротрон (Super Proton Synchrotron, SPS), который был запущен в ЦЕРНе летом 1976 года. В главном кольце этого ускорителя диаметром 2,2 километра протоны на первой стадии его работы разгонялись до энергии 400 ГэВ. В качестве первой ступени разгона применялся запущенный еще в 1959 году протонный синхротрон (PS), разгонявший частицы до энергии 26 ГэВ. Через несколько лет этот комплекс был сильно модифицирован, что и позволило использовать его для получения и исследования ПВБ.
В ходе подготовки к этим экспериментам SPS пришлось дополнить новой установкой. Как уже отмечалось, «затравочный» синхротрон PS выдавал частицы с энергией 26 ГэВ. Он генерировал их пульсами по 1013 протонов на сгусток. А вот антипротонные пульсы были куда беднее частицами — всего лишь 20 миллионов в сгустке. Этого было совершенно недостаточно. Как показывали вычисления, для успеха эксперимента надо было довести число частиц в каждом антипротонном сгустке как минимум до 600 миллиардов, 6×1011. Поэтому ускорительный комплекс получил новую систему, так называемый Антипротонный Аккумулятор (АА). Это устройство накапливало по 30 тысяч антипротонных пульсов и затем посылало их в главное кольцо SPS. Его сделали с рекордной скоростью, всего за два года. В июле 1980 года АА был в основном готов к работе. После этого SPS фактически превратился в новую установку, которую назвали Super Proton–Antiproton Synchrotron, или SppS.
14 февраля 1981 года на машине PS началось ускорение антипротонов — к слову, впервые в мире. После этого дело пошло быстро. 4 апреля накопительное кольцо ISR приняло первые пучки протонов и антипротонов с энергиями 26 ГэВ, которые сталкивались с рождением вторичных частиц. Поскольку эффективная энергия этих соударений не превышала 52 ГэВ, ничего интересного обнаружено не было. Однако главная задача была выполнена — физики убедились, что ISR прекрасно работает. Затем еще три месяца комплекс готовили к инжектированию частиц в главное кольцо, которое дебютировало 7 июля. Теперь всё было готову к началу исторического эксперимента.
Поиск ПВБ вели в двух подземных детекторных комплексах, получивших название UA1 (underground area, experiment 1) и, соответственно, UA2. В первом эксперименте участвовала коллаборация европейских и американских ученых и инженеров, чья численность доходила до 135 человек. Общая масса этого комплекса равнялась двум тысячам тонн. Второй комплекс был меньше по размерам и весу («всего» 200 тонн), и там работало около пятидесяти человек. Имелись также куда более скромные детекторы UA(3), UA(4) и UA(5), но они выполняли другие задачи. Так, команда комплекса за третьим номером надеялась (увы, тщетно) отловить магнитные монополи, а двадцать участников коллаборации четвертого комплекса измеряли кинематические характеристики упругих столкновений протонов и антипротонов.
В течение тридцати дней измерений в ноябре и декабре 1982 года электронные триггеры комплекса UA(1) отобрали 140 тысяч потенциально релевантных событий из приблизительно миллиарда. Дальнейшая компьютерная селекция уменьшила это число до 2125, затем до 167, и в конце концов до 39. В дальнейшем их «вручную» фильтровали уже сами экспериментаторы, которые отбраковали 34 события. Оставшиеся пять (которые затем выделили еще одним способом!) выглядели вполне приемлемыми кандидатами на роль следов распада заряженных бозонов. Четыре события позволяли предположительно выявить наличие электронов высоких энергий и потому могли свидетельствовать о регистрации бозона W−. Пятое демонстрировало присутствие позитрона и, следовательно, возможность отлова бозона W+. Дальнейший анализ показал, что предшественниками наблюдавшихся событий с высокой долей вероятности были распады четырех отрицательных и одной положительной частицы с массой (81 ± 5) ГэВ. Согласно теории, ими могли быть только W-бозоны.
Осенняя серия регистрации протон-антипротонных столкновений, в ходе которой были получены первичные данные для этих выводов, закончилась 6 декабря 1982 года, когда коллайдер был остановлен для технического обслуживания. 20 и 21 января обе коллаборации представили свои результаты на семинарах в ЦЕРНе. Их доклады были сочтены столь убедительными, что 25 января его руководство сочло возможным сообщить о них мировым СМИ. 26 января торжествующий Карло Руббиа доложил о регистрации распадов W-бозонов с рождением электронов и нейтрино на конференции в Нью-Йорке.
Но это было только полдела — ведь предстояло еще зарегистрировать Z0. 12 апреля 1983 года коллайдер вновь включили, и обе коллаборации приступили к работе. Однако им пришлось сначала преодолеть последний порог — повысить светимость коллайдера. К концу мая ее удалось довести до 1,6×1029/см2 сек — всего 16% стандартной единицы. Однако еще до этого, с 30 апреля до 28 мая, команда UA(1) нашла пять событий с вероятными следами распада нейтрального ПВБ. Вычисления его массы дали вполне разумный результат: среднее значение составило (95,2 ± 2,5) ГэВ. Группа UA(2) сначала идентифицировала восьмерку релевантных событий, но потом, для пущей надежности, отсеяла половину. В итоге она также сообщила об открытии Z0 с массой (91,9 ± 1,3) ГэВ. По современным данным, массы ПВБ равны, соответственно, 80,385 ГэВ и 91,1876 ГэВ. Так что точность результатов их первых измерений более чем впечатляет.
3 июля 1983 года коллайдер SppS был вновь остановлен. Это и стало официальным концом великого эксперимента. Интересно, что к этому времени коллаборация UA(1), которая продолжала работать и позднее, успела выявить около семидесяти распадов W-бозонов и восемь распадов Z-бозонов (четыре на электрон и позитрон и еще четыре на мюон и антимюон). После дальнейшей калибровки их вычисленные массы составили (80,9 ± 1,5) ГэВ и (95,6 ± 1,4) ГэВ. Соседняя коллаборация тоже увеличила число открытых частиц и уточнила их массы. Вряд ли нужно особо отмечать, что и новые значения полностью укладывались в рамки, разрешенные теорией электрослабых взаимодействий. Так что лето 1983 года стало временем великого триумфа и самой этой теории, и проверявших ее экспериментаторов. В этом статусе оно и вошло в историю физики.