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 Europ'een pour la Recherche Nucl'eaire, 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.

Третий тип взаимодействия называется глубоко неупругим рассеянием, при котором большая часть энергии электрона и виртуального фотона переходит в полное уничтожение протона. В итоге возникает целый фонтан разных адронов, и рассеянный электрон отскакивает уже со значительными потерями энергии.

Исследования глубоко неупругого рассеяния на относительно небольших углах с жидководородной мишенью начались в Стэнфордском центре ускорителей в сентябре 1967 года. Их проводила небольшая группа экспериментаторов с участием физиков МИТ Джерома Фридмана и Генри Кендалла и работающего в лаборатории канадского физика Ричарда Тейлора.

Они сосредоточили внимание на поведении так называемой структурной функции, функции разницы между начальной энергией электрона и энергией рассеянного электрона. Эта разница связана с энергией, потерянной электроном в столкновении, или энергией виртуального фотона, которым обмениваются частицы. Они увидели, что по мере увеличения энергии виртуального фотона структурная функция показывает заметные пики, соответствующие ожидаемым резонансам протона. Однако при дальнейшем увеличении энергии эти пики сменялись широкими плато, которые постепенно снижались, когда уходили достаточно далеко в диапазон глубоко неупругих столкновений.

Любопытно, что форма функции оказалась в большой степени независимой от начальной энергии электрона. Экспериментаторы не могли понять почему.

Зато это понял американский теоретик Джеймс Бьеркен. Бьеркен получил докторскую степень в Стэнфордском университете в 1959 году и незадолго до экспериментов вернулся в Калифорнию после того, как проработал некоторое время в копенгагенском Институте Нильса Бора. Перед самым открытием Стэнфордского центра ускорителей он разработал модель, позволявшую предсказывать результаты электрон-протонных столкновений при помощи довольно эзотерического подхода, основанного на квантовой теории поля.