Карло Руббиа и ЦЕРН: «судьбы скрещенье»

Итальянскому физику Карло Руббиа недавно исполнилось 90 лет, а 40 лет назад он был удостоен Нобелевской премии за свои исследования, которые он проводил на базе ЦЕРН. ullstein bild via Getty Images

Квантовомеханическое явление, при котором квантовые состояния двух или большего числа объектов оказываются взаимозависимыми, называется квантовой запутанностью. ЦЕРН и итальянский физик Карло Руббиа, которому недавно исполнилось 90 лет, вполне могли бы быть такими объектами. Их жизни и истории переплелись уже давно и прочно.

В 2024 году исполняется не только 90 лет со дня рождения Карло Руббиа и 70 лет со дня основания CERN, но еще и 40 лет с момента события, неразрывно связавшего итальянского физика с уникальным научным центром, расположенным в Женеве: имеется в виду Нобелевская премия по физике 1984 года. При этом в послужном списке Карло Руббиа кроме нобелевки есть много чего ещё: у него за плечами двадцать лет в Гарварде, пять лет работы Генеральным директором ЦЕРН (1989-1994 гг.), бесчисленное количество научных экспериментов, пожизненная должность сенатора Итальянской Республики и более тридцати почетных степеней.

Но для нас важен тот факт, что жизнь Карло Руббиа и сегодня по-прежнему самым тесным образом связана с ЦЕРН, научным учреждением, от которого он так много получил и которому так много отдал. Эта история начинается вскоре после Второй мировой войны, когда научное сообщество, разделенное железным занавесом, размышляло о том, как можно было бы все-таки наладить сотрудничество ученых «поверх барьеров». Карло Руббиа, в то время подающий блестящие надежды студент из Италии, как раз и решил посвятить себя экспериментальной физике. Не исключено, что какое-то влияние оказали на его и родители: его мать была школьной учительницей, а отец — инженером-электриком.

На этой исторической фотографии Карло Руббиа — предпоследний справа во втором ряду. SWI | Carlo Rubbia

Его родиной был регион между Фриули-Венецией-Джулией и Венето, именно там он вырос и приобрел свои первые знания. А между тем в Европе такие известные ученые, как француз Луи де Бройль, итальянец Эдоардо Амальди и швейцарец Пауль Шеррер, пытались все-таки найти способ запустить единую европейскую науку в формате некоей единой Европейской физической лаборатории. В итоге в 1954 году, то есть ровно семьдесят лет назад, 12 стран подписали устав Европейского совета по ядерным исследованиям (CERN).

Жизнь Карло Руббиа и сегодня по-прежнему самым тесным образом связана с ЦЕРН. Mariani, Daniele (swissinfo)

В тот момент Карло Руббиа был студентом Миланской высшей политехнической школы (Politecnico di Milano), затем он отправился на учебу в Пизу и в конце 1950-х оказался в Швейцарии. «Впервые я приехал в ЦЕРН в 1950-х годах вместе со своим учителем Марчелло Конверси. Это были самые первые дни работы этой лаборатории», — вспоминает Карло Руббио. Швейцария оказалась для него удачным выбором, карьера стремительно пошла вверх. «Работать в ЦЕРНе я начал в начале 1960-х годов, но потом мне предложили постоянную должность в Гарварде, США, где я и проработал почти двадцать лет», — вспоминает он.

Открытие всей его жизни

Однако открытие всей своей жизни, открытие, которое не только изменит его жизнь и карьеру, но и Науку с большой буквы Н, он совершил именно в Швейцарии в 1983 году. Дело в том, что там Карло Руббиа и его команда ученых впервые смогли экспериментально доказать существование так называемых W- и Z-бозонов. А ведь это две элементарные частицы, о которых тогда мало кто слышал за пределами сообщества физиков, но которые являются переносчиками так называемого слабого взаимодействия. Их открытие в Швейцарии считается одним из величайших вкладов в доказательство состоятельности Стандартной модели физики элементарных частиц. Одновременно это был настоящий прорыв в странный мир квантовых взаимодействий, совершающихся в масштабе менее миллионной доли миллиардной доли метра.

Напомним, что, по расчетам физиков, вся Вселенная, включая, конечно же, и человека, строится на основе четырех типов фундаментальных взаимодействий. Первое, возможно, самое известное, — это электромагнитное взаимодействие (свет и фотоны). Второе — это гравитационное взаимодействие, которое до сих пор окутано целым облаком весьма захватывающих, на грани фантастики, теорий. Третья фундаментальная сила — это сильное взаимодействие, названное так потому, что оно способно удерживать ядра атомов вместе благодаря так называемым глюонам (от слова «клей»). Четвертая сила — это слабое взаимодействие, которое, говоря обыденным языком, отвечает на вопросы: «Почему уран и другие схожие элементы обладают качествами радиоактивности»? и «Как начинается сложная цепь ядерных реакций, заставляющих Солнце светиться и давать тепло?».

Ответ на эти вопросы без W- и Z-бозонов дать невозможно. Однако открыть их было не так-то просто. Перед Карло Руббиа стояла нетривиальная задача превратить весьма путаные теоретические выкладки в некую стройную экспериментальную форму. Стратегия, выбранная им, заключалась в том, чтобы заставить протоны, положительно заряженные частицы в ядрах атомов, сталкиваться на очень высоких скоростях с антипротонами, почти такими же, но отрицательно заряженными частицами. В результате их столкновения как раз и образуются W- и Z-бозоны, которые очень быстро распадаются (или, другими словами, «превращаются») в частицы, непосредственно затем обнаруживаемые специальными детекторами. Однако в конце 1970-х годов это означало еще и очень серьезное вмешательство в структуру ускорителя ЦЕРН, без чего его нельзя было перевести с режима протон-протонных столкновений на режим столкновений протон-антипротонных.

Без соответствующего решения руководства ЦЕРН такая перестройка была бы невозможна. Альтернатива существовала, но она находилась за океаном, это был так называемый «Тэватрон» (Tevatron), кольцевой ускоритель-коллайдер, расположенный в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми в городе Батавия, штат Иллинойс, недалеко от Чикаго. Этот синхротрон позволял ускорять заряженные частицы (протоны и антипротоны) в подземном кольцевом тоннеле длиной 6,3 км, достигая при этом энергий порядка 980 ГэВ (~ 1 ТэВ), отсюда это устройство и получило своё имя — «Тэватрон».

«Учитывая мои 20 лет работы в Гарварде, ускоритель на базе „Фермилаба“ мог бы стать наиболее подходящей локацией для такого рода эксперимента, — говорит Карло Руббиа. — Однако Боб Уилсон, директор и основатель „Фермилаба“, предпочел действовать иначе, американцы вообще сочли мое предложение слишком амбициозным и даже нереалистичным, вот почему я и выбрал ЦЕРН, получив поддержку со стороны тогдашних его директоров Джона Адамса и Леона Ван Хоува». Позже американцы осознали свою ошибку, пресса была полна язвительных статей, но было уже поздно, и Нобелевская премия по физике за открытие этих бозонов в Швейцарии была вручена Карло Руббиа и Саймону ван дер Мееру.

«Кто такой этот Руббиа?»

«В день объявления о том, что мне дают премию, никакого знаменитого телефонного звонка на самом деле не было. Я узнал об этом из радиопередачи, которую я слушал, сидя в такси в Италии. Водитель спросил меня, а кто вообще такой этот Руббиа, и, услышав от меня, что этот самый Руббиа я и есть, он, потрясенный, даже не захотел брать плату за проезд. Нобелевская премия стала прекрасным эпизодом, но она ничего не изменила в плане моих основных жизненных привычек». А между тем за премией стоял самый настоящий научный подвиг. И чтобы совершить этот подвиг за столь короткое время, ученым сначала пришлось организовать международный проект Underground Area 1 (UA1), в котором участвовали 126 человек. Все измерения были затем подтверждены родственным экспериментом, проведенным почти одновременно на том же ускорителе, но уже под названием UA2.

Открытие всей своей жизни, открытие, которое не только изменит его жизнь и карьеру, но и Науку с большой буквы Н, он совершил именно в Швейцарии в 1983 году KEYSTONE/CERN/SCIENCE PHOTO LIBRARY

По сравнению с масштабами нынешних научных проектов все это выглядело весьма скромно. «За последние семьдесят лет в ЦЕРН произошел переход от отдельных независимых проектов к крупным сложно скоординированным проектам, что и позволило совершить ранее невозможные открытия, такие как открытие бозона Хиггса», — отмечает нобелевский лауреат. Сегодня он задействован в эксперименте ICARUS, который он сам же и разработал в 1977 году и который направлен на изучение тайн нейтрино, частиц, которые очень трудно экспериментально обнаружить. Однако на повестке дня ЦЕРН находится проект строительства нового огромного ускорителя частиц — так называемого «Будущего кругового коллайдера», который должен прийти на смену нынешнему Большому адронному коллайдеру. Проект будет скорее всего, если вообще будет, реализован после 2040 года, но он станет огромным шагом как для ученых, так и для всего человечества.

Без фундаментальных исследований нет и не может быть прогресса

Такого рода исследования подвергаются регулярной критике, мол, не было бы куда разумнее потратить эти деньги на борьбу с голодом? Действительно, только в 2023 году работа ЦЕРН поглотила бюджет в более чем в 1 миллиард 230 миллионов швейцарских франков. Эту сумму в формате долевого участия вносят в общую копилку все 23 государства-члена ЦЕРН. Так что же, все эти деньги просто зря вылетают в трубу? Отвечая на эту критику, Карло Руббиа повторяет, что «фундаментальные исследования не случайно называются фундаментальными. Без них нет и не может быть прикладных и технологических разработок, полезных для прогресса и развития общества.

Карло Руббиа (в центре), Саймон ван дер Меер (слева, его коллега и тоже лауреат Нобелевской премии) и сэр Алек Моррисон (справа, президент Совета CERN) в 1983 году. CERN

И если вас не убеждает изобретение интернета в его нынешней форме, произошедшее именно на базе ЦЕРН, то подумайте хотя бы о медицине: без исследований на базе ЦЕРН на были бы возможными приборы позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), применяемые для диагностики опухолей. Кроме того, также под эгидой ЦЕРН, я разработал технологию сверхпроводящих кабелей для передачи электроэнергии на сверхбольшие расстояния без заметных потерь. При этом не стоит забывать, что помимо чисто технологических изобретений прикладного характера речь ещё идет и о присущем человеку как таковому стремлении «все испытать и во все проникнуть».