Урановые и плутониевые бомбы, сброшенные на Хиросиму и Нагасаки в 1945 году, были основаны на делении, в то время как водородная бомба была основана на синтезе ядер дейтерия и трития, образующих гелий.

В системе, созданной Теллером и Уламом, для синтеза требовалось большое количество тепловой энергии, которая была результатом процессов деления, поэтому водородную бомбу также называют термоядерной.

На атолле Эниветок, входящем в архипелаг Маршалловых островов, 1 ноября 1952 года в ходе операции «Айви» была взорвана первая водородная бомба, «Майк». Последствия взрыва были разрушительными: температура в миллионы градусов полностью уничтожила экосистему атолла и окружающего его водного пространства. В следующем году СССР также провел испытания первой водородной бомбы.

За короткий промежуток времени ускорители позволили лабораторным путем получить частицы, содержащиеся в космических лучах. Открытие новых составляющих квантового мира расширило карту элементарных частиц. Компьютеры упростили сложнейшие вычисления, появились новые области физики, изучающие нелинейные системы. Ферми принимал участие во всех главных открытиях, раздвигавших пределы физики. Сегодня этот прогресс поставил под вопрос даже теорию относительности Эйнштейна.

При помощи статистической физики Ферми смог исследовать, что происходит при столкновении ядер на большой скорости, во время чего образуется множество частиц. Он хотел выяснить, какие из этих частиц на самом деле элементарные. Этому вопросу ученый посвятил свои выступления на конференциях, организованных Стилманом в Йельском университете и самим Ферми в Италии. Оба цикла докладов были впоследствии собраны в его книге «Элементарные частицы*. Упрощенные модели Ферми по аналогии с FERMI АС фиксировали тенденции и позволяли рассчитать порядок главных переменных, задействованных в эксперименте, как, например, в случае с эффективным сечением или с вероятностью поглощения частиц. Ферми знал, что с этого момента без статистики не обходится ни один опыт в области физики частиц.

Весной 1951 года в Чикагском университете заработал новый синхроциклотрон. Ферми наконец-то мог провести опыты со столкновением нуклонов в 450 МэВ: вместе с Андерсоном он проанализировал взаимодействие между протонами и пионами л* и л', измерил их интенсивность и энергию, а также изучил передачу пионов через жидкий водород, что представляло для него особый интерес в связи с работой над водородной бомбой в Лос-Аламосе. Ученый упорно стремился улучшить синхроциклотрон и спроектировал систему с тележкой, получившую название тележки Ферми, при помощи которой цель столкновения могла перемещаться по периферии циклотрона. Тележка контролировалась посредством магнитного поля благодаря бобинам, связанным с колесами, и ей не требовалось ни электричество, ни топливо. Это изобретение Ферми прекрасно проработало в течение долгих лет.

С 17 по 22 сентября 1951 года ученый организовал в Чикаго международную конференцию по ядерной физике, в рамках которой торжественно представил публике новый синхроциклотрон. После окончания мероприятия он взял неделю отдыха, чтобы отпраздновать свое 50-летие. На конференции Ферми предложил список из 21 элементарной частицы, хотя предполагал, что некоторые из них могут быть исключены из этого перечня.

Чикагский синхроциклотрон, или синхронизированный циклотрон, представлял собой улучшенный вариант циклотрона, созданного Лоуренсом в Калифорнийском университете. У него был тот же принцип действия: движущиеся частицы с электрическим зарядом отклонялись магнитным полем. Синхроциклотрон обладал большей точностью по сравнению с циклотроном, так как исправлял некоторые побочные эффекты, проявляющиеся при высоких энергиях.

Ферми сосредоточился на анализе взаимодействия пионов с нуклонами и атомами водорода, измеряя, в частности, эффективное сечение столкновений и угловое распределение дисперсии пионов. Он доказал, что поперечное сечение с увеличением энергии быстро увеличивается (чего и следовало ожидать от сильного взаимодействия), но в случае с положительными π⁺ пионами больше, чем с отрицательными π^-. Его эксперименты заставили вернуться к идее Гейзенберга (предложенной в далеком 1932 году) назначать частицам квантовое число изоспин (или изотопический спин), связанный с сильным взаимодействием. Сила этого взаимодействия между любой парой нуклонов одинакова, независимо от того, ведут они себя как протоны или нейтроны.

В циклотроне, в области магнитного поля В, ускоряется частица с массой m и зарядом q с частотой резонанса f_o так, что

f_o = qB/2πm.

При высоких скоростях в циклотроне масса частицы испытывала эффект релятивистского запаздывания. Поскольку скорость была близка к скорости света, то масса увеличивалась. Для компенсации этого эффекта был создан синхроциклотрон, в котором частота переменного электромагнитного поля менялась. Она зависела от коэффициента, основанного на скорости света с и скорости частицы ν:

f = f_o √(1-(v/c)²)

Пучок ускоренных частиц мог прийти в столкновение с целью с большей точностью. Ферми использовал его для изучения столкновений между пионами и нуклонами.

Репродукция патента циклотрона Лоуренса (1934), принцип действия которого был улучшен в синхроциклотроне.

В то время как протоны и нейтроны имели изоспин 1/2 (или со знаком +, или со знаком -), у трех пионов (π°, π⁺, π^- ) изоспин был равен единице с соответствующими проекциями (0,1 и -1). Квантовое число изоспин не должно было меняться при взаимодействиях частиц, которые, как мы уже видели, были следующими:

n → p + π^- ; π^- + p → n

p → n + π⁺ ; π⁺ + n → p.

Изоспин объяснял также схожесть масс протона и нейтрона и тот факт, что все пионы обладали одинаковой массой, но разными зарядами и, следовательно, по-разному вели себя при столкновении с нуклонами.

В 1952 году Ферми обменялся по этому вопросу несколькими письмами с молодым физиком Ричардом Фейнманом, с которым познакомился в Лос-Аламосе. Теории Фейнмана казались правильными, но требовали экспериментального доказательства. Ферми смог привести такое доказательство, изучая дисперсию пионов в дейтерии и водороде, и написал на эту тему несколько статей для журнала The Physical Review. Исследования Ферми и Андерсона подготовили революцию в физике элементарных частиц: из их наблюдений за столкновениями пионов и нуклонов вытекало предположение о возможном существовании внутренней структуры протонов и нейтронов. В последующее десятилетие был открыт резонанс между пионами и нуклонами, что привело к неминуемому открытию кварков, из которых состоят протоны и нейтроны. Теоретическую гипотезу их существования предложили в 1964 году Марри Гелл-Манн и Джордж Цвейг.

Однако количество данных, собранных Ферми, было очень велико, и это сильно замедляло их обработку и анализ. Например, для каждой дисперсии пионов надо было решить более девяти уравнений. Специально созданные таблицы немного облегчали задачу, но физика элементарных частиц становилась все более сложной, ее развитие приближалось к своему пределу. Ферми был необходим компьютер. Старые механические вычислительные машины, которыми он и Андерсон пользовались уже давно, работали на пределе своих возможностей.