Реквием по Тэватрону

7 мая 1911 г. Эрнест Резерфорд представил на сессии Манчестерского литературно-философского общества планетарную модель атома, которая стала основой современной теории строения вещества. Точности ради надо отметить, что он действовал в духе весьма почтенной традиции: столетием ранее Джон Дальтон ознакомил участников этой ассоциациями с результатами своих измерений атомных весов. В ознаменование этой даты Американское физическое общество назначило на нынешний год столетие физики элементарных частиц. По странному совпадению (за которое, возможно, надо винить то, что Гегель называл иронией истории), на этот юбилей наложилось (точнее, вот-вот наложится) прекращение работы кольцевого ускорителя, который ровно четверть века был мировым чемпионом по части максимальной энергии протонных и антипротонных пучков. 30 сентября, в 2 часа дня по местному времени, будет выведен из эксплуатации синхротрон американской Национальной лаборатории ускорителей им. Ферми, расположенной в Батавии, в штате Иллинойс. Он вполне мог бы работать еще как минимум пару лет, но федеральные власти отказали ему в финансировании.

Ускоритель имеет собственное название — Тэватрон (поскольку на этой машине впервые были получены частицы с энергией порядка одного тераэлектронвольта. Он действует и как протон-антипротонный коллайдер, и как протонный ускоритель с неподвижными мишенями (точнее, в последнем качестве он работал только до 2000 г.). Максимальная энергия частиц, разогнанных на Тэватроне, в среднем составляет 0,98 ТэВ, а самая высокая энергия соударений частиц в районе детектирующих комплексов при работе в коллайдерном режиме доходит до 1,96 ТэВ. В общем ускоритель вполне оправдывает свое название.

Тэватрон лишь немного не дотянул до тридцатилетия. Он был запущен 3 июля 1983 г., накануне главного национального праздника США, Дня Независимости. В ходе пробного прогона разгонялся только пучок протонов, чья энергия была доведена до рекордного по тому времени значения в 512 ГэВ; месяцем позже были получены протонные пучки на 700 ГэВ. 1 октября на Тэватроне начались первые эксперименты по бомбардировке неподвижных мишеней протонами с энергией 400 ГэВ. Ровно двумя годами позже ускоритель начал работать и в режиме коллайдера, сталкивая встречные пучки протонов и антипротонов, разогнанных до 800 ГэВ. Тогда Тэватрон был оснащен только одним детектором продуктов этих столкновений, известным как CDF (Collider Detector at Fermilab). Весной 1992 г. к его работе подключился второй детектор DZero, а суммарная энергия встречных пучков выросла до 1,8 ТэВ.

Тэватрон готовит пучки для экспериментов в несколько этапов. Сначала молекулы водорода пропускают через два линейных ускорителя, где они ионизируются, разгоняются до 400 МэВ, теряют электроны при прохождении через графитовую фольгу и тем дают начало протонам, которые направляются в бустерный ускоритель. Там они приобретают энергию в 8 ГэВ, после чего попадают в еще один вспомогательный ускоритель, так называемый главный инжектор, который доводит их энергию до 120 ГэВ или 150 ГэВ. Сгустки протонов с энергией 150 ГэВ инжектируют в основное ускорительное кольцо километрового радиуса, окруженное как обычными, так и сверхпроводящими магнитами. Там они разгоняются до 980 ГэВ и приобретают скорость в 99,89 % световой. Протоны с энергией 120 ГэВ бомбардируют никелевую мишень и порождают антипротоны. Те собираются в отдельном кольцевом накопителе и оттуда попадают в главное кольцо, где тоже разгоняются до 980 ГэВ — естественно, двигаясь навстречу протонам. Готовые пучки отводятся для столкновений в зоны, прилегающие к детекторам.

Команды физиков Тэватрона получили немало замечательных результатов. На первом месте стоит открытие t-кварка, самого массивного представителя кваркового семейства, о котором было объявлено 3 марта 1995 г. В 1996 г. на ускорителе были получены атомы антиводорода и экзотические очарованные мезоны. В 1998 г. состоялось открытие B-sub-c мезона, а двумя годами позже получены первые подтверждения прямого наблюдения тау-нейтрино. В 2008 г. коллаборация DZero впервые зарегистрировала Q-барион, состоящий из двух s-кварков и одного b-кварка. Этот список можно продолжить.

В последние годы на Тэватроне была выполнена серия экспериментов, которые позволили значительно уточнить возможный диапазон масс бозона Хиггса, кванта гипотетического скалярного поля, которое, по современным представлениям, наделяет массой все истинно элементарные частицы, кроме фотона и глюонов. Его открытие считается главным призом физики высоких энергий, гарантирующим Нобелевскую премию. Как было объявлено в марте, полученные данные с 95 %-ной достоверностью исключают возможность обнаружить массу бозона Хиггса в диапазоне 157-173 ГэВ. В сочетании с предшествующими результатами они позволяют утверждать, что эта масса лежит в интервале 115-157 ГэВ. Однако сотрудникам Тэватрона все же не удалось ни обнаружить бозон Хиггса, ни доказать, что его не существует в природе. Надо сказать, что последняя возможность сейчас рассматривается всё серьезней, поскольку бозон Хиггса пока не открыт и на Большом адронном ускорителе ЦЕРНа.

Последним крупным достижением Тэватрона стало измерение массы t-кварка с беспрецедентной точностью в 0,5 %, о котором было объявлено 22 июля. Накопленная в ходе его работы информация будет изучаться еще несколько лет. А судьба самого ускорителя пока не решена. Не исключено, что после демонтажа части оборудования (и, конечно, слива жидкого гелия из кожухов сверхпроводящих магнитов) его превратят в музей. Sic transit gloria mundi.

Алексей Левин