Вести из микромира... Часто они напоминают короткие военные сводки, порой — динамичные спортивные репортажи о погоне за рекордами, иногда выливаются в пространные размышления о том, что найдено, зачем и куда найденное девать. Сегодня наша задача — сделать лишь короткую остановку, чтобы осмотреться и представить ход дальнейших событий. И вот почему.
В 1983 году был открыт промежуточный бозон. И с тех пор в микромире затишье, словно ничего и не происходит. Казалось бы, всего три года — много ли для науки, нет причин для беспокойства. Однако эти годы без открытий последовали за десятилетием, когда находки сыпались как из рога изобилия. Мы привыкли непрерывно получать удивительные новости из мира1 элементарных частиц: «нейтральные токи», «очарованные кварки», «тяжелый лептон», «квантовая хромодинамика», «распадающийся протон», «масса нейтрино» — каждый из сюжетов неповторим и удивителен. Впечатление было такое, что физики наконец-то подобрали ключи к заветным кладовым природы и вытаскивают одно за другим ее сокровища, что вот-вот удастся понять, как же все там устроено. И вдруг — тишина. В 1984 году, правда, еще кое-что происходило: как будто по инерции экспериментаторы наоткрывали несколько скорее непонятных, нежели интересных явлений — их поэтому и назвали аномалиями. Но в следующем году все «находки», как говорили физики, рассосались. Поэтому год 1985 прозвали «годом погибших аномалий», «годом разочарований». 1986 год уже никак не называли - постепенно пропадало желание шутить...
Все время хочется сравнить нынешнее затишье с тишиной перед атакой, тишиной тягостной и томительной. Как писал Семен Гудзенко, «...самый страшный час в бою — час ожидания атаки». Давайте же пройдемся по передовым позициям физиков, посмотрим, как стоят войска, и, хоть это большая научная тайна, попробуем узнать что-нибудь о направлении главного удара.
Упомянутое чуть выше победоносное десятилетие, «золотой век» физики микромира, коренным образом изменило положение в физике элементарных частиц. Раньше экспериментаторы радовались, когда узнавали хоть что- то новое, теперь огорчаются, если что-то им неизвестно. Поэтому «езда в незнаемое» постепенно превращается в плановое хозяйство: открытый промежуточный бозон был запланирован и открыт с точно запланированными свойствами, сейчас есть подобные намерения и по поводу других частиц. Однако не все так ровно и гладко, как хотелось бы. Никак не дается в руки экспериментаторов шестой кварк, ускользают и хиггсовские частицы — один из краеугольных камней современной теории, частицы, дающие массу всем другим обитателям микромира. И, с другой стороны, есть надежда на новые неожиданности.
Итак, рекогносцировка перед атакой. Говоря языком военных сводок, можно выделить четыре фронта, на которых ожидаются основные события, то бишь четыре строящихся ускорителя.
LEP (Large Electron Positron) -- в ЦЕРНе (Европейском центре ядерных исследований). В его двадцатисемикилометровом кольце будут разгоняться до энергии 50 миллиардов электронвольт и сталкиваться электроны и позитроны. Впервые это произойдет в конце 1988 года. Основные направления исследований: прецизионная проверка теорий электрослабого и сильного взаимодействий — так можно утвердиться в их справедливости либо обнаружить непредсказуемые эффекты (и неизвестно, чему больше будут рады физики); поиск шестого кварка, точнее, частиц, его содержащих; измерение характеристик промежуточных бозонов с высокой точностью — отсюда, например, можно будет узнать, сколько существует в природе кварков и сортов нейтрино (пока известны три нейтрино и пять кварков) ; поиск новых тяжелых частиц и... всевозможные сюрпризы.
Эти задачи будут решать на четырех установках: ALEPH, DELPHI, OPAL и L-3. В работе, проводимой на последней из них под руководством лауреата Нобелевской премии С. Тинга, участвуют и советские экспериментаторы. Для справки: коллектив L-3 — это более трехсот физиков из тридцати пяти университетов и научно-исследовательских институтов тринадцати стран. Стоимость детектора более 50 миллионов долларов. Приводя эти цифры, я слегка сомневаюсь в их точности: это данные на 1985 год, а коллектив непрерывно растет,— может, к моменту выхода статьи они изменятся. Масштаб сотрудничества не имеет прецедентов, но это — особый разговор. Пока же у нас просто нет времени на смотр полков — знакомимся с фронтами.
SLC (Stanford Linear Collider) — тоже пучки электронов и позитронов, ускоренные до 50 ГэВ, но уже не в кольцах, а на двух милях линейного ускорителя. Его старт — в конце 1987 года. В это время на нем начнет действовать детектор MARK-II, который в готовом виде переедет на новое место работы с другого стэнфорд- ского ускорителя. Еще через два года — второй детектор. Тематика работ та же, что и у LEP. Вообще, эти ускорители будут сильно конкурировать друг с другом, и надо надеяться, что такая конкуренция пойдет на пользу, прежде всего — физике. Третий фронт — HERA (Hadron-electron ring accelerator). Проект нетривиальный. В шестикилометровых кольцах разгоняются электроны до 30 ГэВ и протоны до 820 ГэВ. Обычно в ускорителях организуется столкновение либо одинаковых частиц — протонов с протонами, электронов с электронами,— либо частиц с античастицами, но до сего дня ни разу не было столкновений пучков частиц столь разных: протон почти в две тысячи раз массивнее электрона.
Здесь уместно сделать крохотное отступление о типах ускорителей, точнее, о различиях ускорителей электронных и протонных. В основном они кольцевые, а, как известно, любая заряженная частица при движении по окружности излучает (читай: теряет) энергию. И чем выше энергия, тем больше потери, чем легче частица, тем больше потери. Мы ее ускоряем, а она не ускоряется — вот чем определяется предельное значение энергии, достижимое на любом кольцевом ускорителе. Расти же беспредельно кольца не могут — точность при установке их микронная, и соблюсти такую точность на километровом радиусе не позволяют уже колебания почвы. Оптимальные энергии сегодня несколько десятков ГэВ для легоньких электронов и тысяча ГэВ для протонов.
Электроны — точечные частички, вернее, физики пока не видят в них никакой структуры. Сталкиваются они в точке, и в том, что при таком столкновении происходит, легче разобраться, чем в случае протонов. Протоны состоят из трех кварков, когда они сталкиваются, рождается больше частиц, и разобраться в их мешанине непросто. Итак: протоны можно разогнать до больших энергий, но их столкновения сложнее изучать. В столкновениях электронов все просматривается яснее, но достижимы меньшие энергии. Вот вкратце и все.
A HERA в международном центре DESY (Гамбург, ФРГ) сталкивает тяжелые частицы с легкими. На этом фронте будет изучаться внутреннее устройство протона и кварков, из которых он состоит, с «электронной» точностью — электронный пучок станет как бы щупом, с помощью которого экспериментаторы попытаются «просмотреть» внутренности протона. Поскольку ускоритель этот первый в своем роде, относятся к нему и его будущим возможностям с небольшим опасением, ждут разных «непредусмотренностей». Во всяком случае, очень интересно узнать, каковы будут результаты. Заработает HERA в 1989 году, сейчас вовсю идет прокладка тоннеля и обсуждение проектов установок. И в этом активно участвуют советские физики.
И, наконец, наш собственный УНК. — ускорительно - накопительный комплекс под Серпуховом. На нем должны быть получены встречные пучки протонов с энергиями по 3 тысячи ГэВ, но эта стадия намечена на конец столетия. Пока же, в начале девяностых годов, должны заработать кольца на энергию 300—600 ГэВ, возможно, до тысячи. Полным ходом идет строительство самого ускорителя и обсуждаются установки, которые будут на нем работать.
Гнетущая тишина в микромире скоро должна разорваться громом открытий — не может быть иначе. Мы обязательно станем свидетелями удивительных событий. Они произойдут буквально через пару лет. Чтобы быть готовым к их восприятию, надо познакомиться с «полками», то есть экспериментальными установками, которые зарегистрируют для нас эти события. Установки сами по себе сооружения уникальные — трехэтажные дома сверхсовременных детекторов, электронных приборов и ЭВМ всех рангов. Они могут «увидеть» все. Но об этом расскажем в следующий раз.