Если беватрон был назван так потому, что в нем можно было получить энергию в миллиарды электронвольт (эВ), то в тэватроне Фермилаба достигаются тераэлектронвольты (ТэВ), то есть 1012 эВ. Благодаря этой невероятной мощи ускорителей сегодня мы можем обнаружить пучки таких маленьких частиц, как нейтрино, с ничтожной массой, примерно в 5 эВ, и разглядеть квантовую структуру материи.
Первым ускорителем Фермилаба был генератор Кокрофта — Уолтона, который трансформировал переменную электрическую энергию в постоянную, вырабатывая ионы водорода Н-. На их основе с помощью магнетрона создается плазма, или ионизированный газ с низким давлением. Затем посредством электрического поля в 750 КэВ ионы ускоряются до линейного ускорителя (LINAC, Linear Accelerator), который увеличивает энергию частиц до 400 МэВ, после чего они попадают в угольный фильтр, трансформирующий ионы Н- в протоны Н+ и в промежуточное кольцо (бустер) диаметром в 468 м. В нем протоны вращаются со скоростью примерно 20 тысяч раз за 33 миллисекунды и благодаря эффекту циклотрона приобретают на каждом круге энергию, пока не достигнут 8 ГэВ. Следующий этап — главный инжектор, который ускоряет протоны, разделяет протоны для получения антипротонов и затем ускоряет антипротоны. Таким образом, в главном инжекторе находятся два отдельных пучка: протоны и антипротоны, которые двигаются в противоположном направлении и попадают в последний ускоритель, мощный Тэватрон. В нем скорость частиц почти равна скорости света. Они сталкиваются в центре детекторов DZER0 и CDF с энергиями почти 2 ТэВ, что позволяет получить пучки разных элементарных частиц. Сегодня в Фермилабе проводятся эксперименты по обнаружению бозона Хиггса, которые должны подтвердить эксперименты ЦЕРН и изменить наше представление о квантовой вселенной.
Не так давно в ускорителях были проведены два эксперимента, которые имели огромное значение для теоретической физики и потрясли научное сообщество: связаны они были с возможным открытием нейтрино, чья скорость превышает скорость света, и обнаружением бозона Хиггса. Эти предполагаемые нейтрино движутся со скоростью, превышающей скорость света. Если это так, то теория относительности Эйнштейна нуждается в переработке: ведь нейтрино обладают массой, пусть и очень маленькой, и согласно этому открытию, скорость света больше не является предельной для материальных частиц. Нейтрино — это фермионы, окружающие нас, хотя мы не можем воспринимать их органами чувств. Наше тело производит примерно 4000 нейтрино в секунду, миллионы миллиардов нейтрино попадают на Землю из космоса и проходят через нас, при этом не взаимодействуя с нами. Они не относятся ни к одному атому или ядру, мы словно погружены в бульон из частиц. Существуют электронные, мюонные и таонные нейтрино — результат распада электрона, мюона или таона. Нейтрино — единственные лептоны, которые не подвержены сильному взаимодействию и не имеют заряда.
Итак, в эксперименте OPERA от ускорителя ЦЕРН в Женеве под землей (чтобы минимизировать интерференцию) был пущен пучок нейтрино до итальянской лаборатории в Гран Сассо, на расстояние 732 км. Сначала казалось, что нейтрино двигаются со скоростью, превышающей скорость света, но в феврале 2012 года в измерениях были обнаружены две ошибки, из-за которых результаты эксперимента были признаны недействительными. Стоит упомянуть, что в таких случаях требуется точность до миллионной доли секунды и используются системы типа GPS. Пока идет опыт, Земля вращается, хоть и совсем немного, поэтому чрезвычайно важно идеально синхронизировать системы измерений в лабораториях. Тем не менее вероятность того, что скорость нейтрино может превышать скорость света, изучается.
После еще одного эксперимента, взволновавшего научный мир и общественное мнение, 4 июля 2012 года ЦЕРН обнародовала официальный доклад, в котором говорилось, что в ходе экспериментов CMS и ATLAS с высокой долей вероятности была найдена частица, похожая на бозон Хиггса стандартной модели, массой примерно 125 гэВ.
Бозон Хиггса — это частица, существование которой в 1964 году предположил британский физик Питер Хиггс (р. 1929) и названная в его честь. Считается, что она поможет нам объяснить, почему материя обладает массой. Эта частица связана с полем Хиггса, в которое — теоретически — погружена вся наша Вселенная. Таким образом, частицы, не обладающие массой, как фотоны, не взаимодействуют с ним, а частицы с массой — взаимодействуют, и чем сильнее их взаимодействие с полем Хиггса, тем больше их масса. Но есть и другие версии этого механизма, объясняющие обладание массой, в которых говорится о целых семьях частиц, а не только об одном бозоне Хиггса, поэтому для окончательного ответа ученые должны получить больше данных. На данный момент с помощью статистических методов они приблизились к промежутку, в котором точно (с вероятностью 95 %) нет бозона Хиггса или какой-либо другой частицы, связанной с полем Хиггса (считается, что надо отбросить промежуток энергий между 110-112,5 гэВ и 127- 600 гэВ). Это отбрасывание возможных результатов задачи так привлекало Ферми: если бозон Хиггса существует, то он окружен, если существует другая похожая на него частица — она тоже окружена. Бозон Хиггса стал своего рода легендой, особенно после того, как в 1993 году американский физик Леон Ледерман (р. 1922) выпустил научно-популярную книгу, в которой назвал его «частицей Бога». Если существование бозона будет подтверждено, то список элементарных частиц стандартной модели будет полным — именно об этом мечтал Ферми, когда начинал составлять карту нашей квантовой вселенной.
Без сомнения, Ферми сделал огромный вклад в развитие ядерной инженерии и ядерного оружия, поэтому после его смерти АЕС учредило премию Ферми, которая вручается ученым, внесшим «особенно ценный вклад в развитие, использование или контроль ядерной энергии». Международное сообщество следит за расширением и развитием ядерного арсенала в странах, у которых пока нет атомной бомбы.
Второго декабря 1952 года в Чикагском университете отпраздновали десятую годовщину атомной эпохи. На фото: Энрико Ферми (первый слева)кладет руку на модель первого ядерного реактора.
Вид сверху на Фермилаб, примерно в 50 км от Чикаго. Кольцо на первом плане — главный инжектор, за ним — Тэватрон.
Существуют также технологии, связанные с мирным применением ядерной энергии. Сегодня никто не сомневается в важности ядерной физики и радиоактивности в медицине: их возможные риски строго контролируются, а польза чрезвычайно высока. Тем не менее со времен Чернобыльской катастрофы (Украина) в 1986 году и особенно после аварии на Фукусиме (Япония) в 2011 году современные атомные электростанции вызывают опасение в обществе. Возможно, урок Фукусимы заключается в том, что какие бы меры предосторожности мы ни принимали, природа, в данном случае Цунами, может разрушить любую систему безопасности. Ферми догадывался об этом риске и мечтал о мире, в котором были бы решены все проблемы, связанные с ядерной энергией и радиоактивными отходами. В своих последних выступлениях Ферми надеялся, что человечество осознает: наступление атомной эры требует объединения усилий всех стран, все нации должны нести одинаковую ответственность. Ученый предлагал серьезно подумать об этой технологии, от которой уже нельзя отказаться.
Ферми опередил свое время, угадав, какие вопросы будут занимать нас, и начал искать на них ответы. Какие частицы действительно являются элементарными? Как они ведут себя? Почему Вселенная такая, какая есть? Цельное видение физики помогло Ферми объединить области, считавшиеся далекими друг от друга, такие как астрофизика и физика элементарных частиц. Он также развил инженерию и математику, необходимые для его исследований. Ферми был провидцем, который не сдавался перед вызовами, брошенными новыми технологиями. Он прекрасно работал с первыми детекторами, ускорителями частиц, компьютерами и создал ядерную инженерию. Энрико Ферми был невероятно разносторонним физиком, теоретиком, экспериментатором. Он был уникальным ученым.