Несмотря на успешные эксперименты с космическими лучами, позволившие открыть позитроны, мюоны, пионы и каоны за два десятилетия между 1930-ми годами и началом 1950-х, для дальнейшего прогресса в физике частиц требовалось сначала разработать более мощные искусственные ускорители.
Первые ускорители были сконструированы во второй половине 1920-х годов. Это были линейные ускорители, в которых ускорение электронов и протонов происходило за счет разгона их через линейную последовательность осциллирующих электрических полей. На одном таком ускорителе Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон в 1932 году разогнали протоны до высокой скорости и затем выстреливали ими по неподвижным мишеням – ядрам, таким образом осуществив первые искусственно вызванные ядерные реакции
[90].
В 1929 году американский физик Эрнест Лоуренс изобрел ускоритель иной конструкции. Он использовал магнит, чтобы заставить поток протонов двигаться по спирали, одновременно ускоряя их до все более высоких скоростей при помощи переменного электрического поля. Лоуренс назвал его циклотроном.
В Лоуренсе было что-то от шоумена с большими амбициями. За первым циклотроном последовали новые, все более крупные машины, и в 1939 году их кульминацией стало сооружение гигантского суперциклотрона с магнитом, который весил 2 тысячи тонн. Лоуренс посчитал, что он позволит протону развивать энергию в 100 миллионов электронвольт (100 МэВ), это порог энергии, требующейся протону для проникновения в ядро. Лоуренс обратился в фонд Рокфеллера с просьбой о поддержке. Его обращение стало звучать гораздо убедительнее после того, как во время теннисного матча ему сообщили, что ему только что присудили Нобелевскую премию по физике за 1939 год.
Когда началась война, циклотронную технологию Лоуренса использовали для решения других задач – для обогащения урана-235 в количестве достаточном для создания атомной бомбы, сброшенной потом на Хиросиму. В основу электромагнитной установки по разделению изотопов Центра национальной безопасности Y-12, сооруженной в Оук-Ридже, что в Восточном Теннесси, положена конструкция лоуренсовского циклотрона
[91].
Работавшие в Y-12 магниты имели 76 метров в длину и весили от 3 до 10 тысяч тонн. Их конструкция истощила медные запасы США, и американское казначейство было вынуждено ссудить Манхэттенскому проекту 15 тысяч тонн серебра, чтобы закончить обмотку магнитов. Магниты забирали столько же энергии, как большой город, и были настолько сильные, что рабочие чувствовали, как их сила действует на гвоздики в их ботинках. Иногда женщины, стоявшие недалеко от магнитов, оставались без шпилек. Со стен пришлось снять трубы. 13 тысяч человек трудились на заводе, который был запущен в ноябре 1943 года.
Это был первый пример того, что в будущем станут называть «большой наукой».
В циклотроне использовалось постоянное магнитное поле и электрическое поле с фиксированной частотой, и в связи с этим энергия частиц была ограничена примерно 1000 МэВ (или 1 ГэВ, гигаэлектронвольт). Чтобы получить еще большую энергию, нужно прогонять ускоряемые частицы сгустками по кольцу, вдоль синхронно распределены магнитные и электрические поля. Одни из первых таких синхротронов – это Беватрон, ускоритель на 6,3 ГэВ, построенный в 1950 году в Радиационной лаборатории в Беркли, и Космотрон, ускоритель на 3,3 ГэВ, построенный в 1953 году в Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке.
Другие страны последовали успешному примеру. 29 сентября 1954 года одиннадцать западноевропейских государств ратифицировали соглашение о создании Европейского совета по ядерным исследованиям (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, ЦЕРН)
[92]. Три года спустя в СССР Объединенный институт ядерных исследований в Дубне, в 120 километрах от Москвы, открылся протонный синхротрон на 10 ГэВ. За ним последовал ЦЕРН и в 1959 году в Женеве пустил протонный синхротрон на 26 ГэВ.
Финансирование физики высоких энергий в США сильно возросло, когда в 1960 годах гонка за технологическое превосходство в холодной войне достигла апогея. В Брукхейвене в 1960 году построили сильнофокусирующий синхротрон, способный оперировать энергией 33 ГэВ. Казалось очевидным, что будущее физики элементарных частиц находится в руках конструкторов синхротронов, продвигающих технологии на все более высокие энергии столкновений.
Так, когда в 1962 году в Стэнфордском университете в Калифорнии началось сооружение нового линейного электронного ускорителя на 20 ГэВ стоимостью 114 миллионов долларов, многие физики отмахнулись от него, сочтя не соответствующим современным требованиям и способным только на второсортные эксперименты.
Но некоторые физики понимали, что постоянное повышение энергии адронных столкновений происходит за счет тонкости. Синхротроны разгоняли протоны и разбивали их о неподвижные мишени, в том числе другие протоны. По словам Ричарда Фейнмана, сталкивать протоны с протонами – «это все равно что разбивать друг о друга карманные часы, чтобы посмотреть, что у них внутри»
[93].
Стэнфордский центр линейных ускорителей (SLAC) построен на 160 гектарах территории Стэнфордского университета примерно в 60 километрах южнее Сан-Франциско. Расчетной энергии пучка 20 ГэВ он впервые достиг в 1967 году. Трехкилометровый ускоритель имеет линейную, а не циклическую конструкцию, так как изгибание пучка электронов при помощи магнитного поля приводит к резкой потере энергии из-за рентгеновского синхротронного излучения.
Когда электрон сталкивается с протоном, могут иметь место три разных вида взаимодействия. Электрон может относительно безвредно отскочить от протона, обменявшись виртуальным фотоном, при этом скорость и направление электрона изменится, но частицы останутся целыми. Это так называемое упругое рассеяние дает электроны с относительно высокой рассеянной энергией, группирующейся вокруг пика.
Во втором виде взаимодействий при столкновении с электроном может происходить обмен виртуальным фотоном, который посылает протон в то или иное возбужденное энергетическое состояние. Рассеянный электрон в итоге оказывается с меньшим количеством энергии, и сравнение на графике рассеянной энергии с приобретенной показывает серию пиков или резонансов, соответствующих разным возбужденным состояниям протона. Такое рассеяние называется неупругим, так как могут создаваться новые частицы (например, пионы), хотя и электрон, и протон выходят из взаимодействия целыми. По сути, энергия столкновения и обмен виртуальным фотоном переходит в образование новых частиц.
