Жорж Шарпак - Спогади вигнанця, фізика, громадянина світу, Жорж Шарпак

100 кеВ. Типовий для радіоактивності рівень енергії — близько 1 МеВ. У середині 1950-х років прискорювачі досягали порядку гігаелектровольт, а нова межа сягає кількох тераелектровольт, себто кілька тисяч мільярдів електровольт. Отже, маси повинні описуватися відношенням еВ/с2. Так, маса електрона складає 511 кеВ/с2, а протона — 935 МеВ/с2.

Що таке прискорювач? Це прилад, що дозволяє збільшувати енергію частинок. Для цього слід пустити частинку до електричного поля якомога вищої напруги. Так можна прискорити заряджені стабільні частинки. На практиці ж у перших прискорювачах досліджували протони та електрони. Згодом техніка дала змогу взятися до антипротонів і позитронів, а також до атомних ядер. Нині ж можна говорити про дослідження мюонів, хоча мюон — нестабільна частинка; втім, здійснення таких досліджень ще потребує серйозних доопрацювань.

Що вища напруга поля, то більше енергії вивільниться. Спершу з’явилися прискорювачі електростатичного типу Ван де Граафа — вони могли сягати 10 м задовжки та прискорювати до кількох мегаелектровольт. Отже, треба мати в розпорядженні потенціал у кілька мегавольт — і проблеми з пробоєм швидко вирішуються.

У 1939 р. Ернест Орландо Лоренс одержав Нобелівську премію за «винахід і вдосконалення циклотрона і результати, отримані за його допомоги». Лоренсові спала на думку ідея примусити частинки багаторазово перетнути область, де є електричне поле. Тож електричне поле може мати середню напругу. Але цей спосіб вимагає наявності магнітного поля, здатного вигинати траєкторію частинок і відкидати їх до порожнин прискорення. Саме в цьому полягає принцип дії циклотрона — круглястої порожнини, зануреної в магнітне поле. Останнє не прискорює частинки — тобто не підвищує її швидкості. Треба лише змінити напрямок руху, що дозволить замкнути траєкторію частинок таким чином, щоб вони перетнули поле прискорювача багато разів. Що вища енергія, то більший радіус траєкторії, а отже, енергія відповідає діаметрові приладу.

Завдяки прискорювачам уможливлюється систематичне вимірювання зіткнень. Джон Даґлес Кокрофт і Ернест Томас Волтон 1951 р. отримали Нобелівську премію за «перетворення атомних ядер за допомоги штучного прискорювача». Ще раз прискорювачі вшанували 1959 р., коли Еміліо Сеґре та Овена Чемберлена відзначили за «відкриття антипротона». Цей випадок — унікальний і заслуговує на розповідь.

Отже, античастинки існують. Але це — дуже рідкісне явище. Адже частинка і античастинка, стикаючись, мають властивість взаємознищуватися, себто зникати, утворюючи фотони або інші частинки, якщо енергії достатньо. Звідси — скороминуще існування античастинок на землі та й взагалі у всесвіті. Хоч античастинки теоретично існують так само, як і частинки, утворені в ході реакцій з виділенням високих енергій, все ж вони швидко зникають із довкілля, бо обов’язково стикаються з частинками і взаємознищуються.

Експеримент у Берклі дав привід іще більше зацікавитися прискорювачами: фізики залишили космічні промені та кинулися до великих лабораторій, які щойно почали обладнувати. Кожен прагнув отримати якнайбільше енергії. Певний час рекорд зберігався за лабораторією в Дубні, що неподалік Москви, де змогли досягнути рівня у 10 ГеВ, потім ЦЕРН у Женеві та Брукгейвен біля Нью-Йорка збудували синхротрони на 30 ГеВ. Ці два апарати забезпечили найплідніші в історії фізики 20 років. Синхротрон — це розвиток циклотрона, де підтримується постійна орбіта частинок, що обертаються. Тоді магнітне поле повинне збільшуватися відповідно до прискорення. Обидва апарати мають обвід у 600 м.

Потоки протонів, прискорені приладами, тоді досягали 20—30 ГеВ. Це дозволяло утворити різноманітні пучки: піонів, каонів, фотонів, мюонів, нейтрино. Франція могла пишатися двома національними центрами: в Орсе, де містився прискорювач електронів, і в Сакле — прискорювач протонів.

Найзначнішим результатом було відкриття великої кількості нових частинок. Кількість частинок, що їх ми називаємо елементарними, швидко зросла до 200. Деякі з них, поіменовані резонансами — це тільки стани, які існують лише якихось 10-23 секунди. Це — різновиди більш звичних станів збудження частинок.

Втратилася простота будови матерії з обмеженою кількістю «цеглинок». Тоді Меррей Джелл-Манн і Джордж Цвайґ висловили припущення щодо існування нового рівня елементарності: рівня кварків. Протони і нейтрони, так само як і мезони, не є елементарними. Вони складаються з більш фундаментальних компонентів. Аби пояснити всі частинки, відкриті у той період, достатньо трьох типів кварків. Відштовхуючись від цих трьох складників, можна відтворити дві категорії частинок, що відповідають двом типам об’єднання кварків:

— поєднання кварк-антикварк, що утворює родину мезонів;

— поєднання трьох кварків, що утворює родину баріонів.

Необхідні на той момент три кварки дістали назви u-, d- та s-кварків. S-кварк (від англ. strange — дивний) характеризує дивні частинки. До трьох кварків варто додати групу з трьох антикварків.

Кварки мають цікаву властивість нести заряд, не більший за елементарний: u-кварк несе заряд +2/3, тоді як d- і s-кварки несуть заряд — 1/3.

Що стосується нуклонів, то протон відповідає поєднанню u-u-d, а нейтрон — u-d-d. Це відновлює загальний заряд +1 у протона та 0 у нейтрона. Склад антинейтрона — анти-u — анти-u — анти-d. Його заряд лишається нульовим, одначе за складом він усе ж таки відрізняється від заряду нейтрона.

Щодо третього типу — s-кварка з зарядом — 1/3, то за його допомоги можна побудувати низку нових баріонів (від грец. βαρόs — важкий). Скажімо, поєднання u-d-s із зарядом 0 відповідає Λ-баріонові, а u-u-s із зарядом +1 — Σ-баріонові.

Усі дивні баріони було вже відкрито, коли з’явилася кваркова модель — за винятком поєднання s-s-s із зарядом -1, названого Ω-баріоном. Це відкриття стало свого роду вінцем моделі. Провіщена частинка довго чекала свого часу. Вона побачила світ 1964 р. в Центрі Брукгейвена, у бульбашковій камері з рідким воднем, відомою як «80 дюймів». Це була та сама, відсутня ланка в розподілі частинок, передбачена кварковою моделлю.

Бульбашкова камера — вельми мінливий прилад, проте її технологія дозволила зібрати врожай відкриттів. Бульбашкова камера була дуже популярною в 1950—1970-ті роки, це — «робоча конячка» тієї доби. Її принцип дії подібний до принципу дії камери Вілсона, проте зміна фази позначається не лише на парі, яка конденсується, а й на рідині, що кипить. Камера складається з резервуара, заповненого рідиною, близькою до риски кипіння. Кипіння викликає толок, що послаблює тиск у вирішальну мить проходження частинок. Перехід із газового стану до стану рідини починається навколо іонів, які слугують запальниками. Тож на шляху заряджених частинок утворюються бульки. Камера робить світлини, за якими можна скласти уявлення про траєкторії. Можна простежити за всіма змінами заряджених частинок від точки взаємодії, а оскільки камера перебуває в магнітному полі, можна виміряти їхню енергію. Бульбашкова камера зберігає відбиток взаємодій, які відбулися всередині неї. Отримані світлини — дуже точні, кожну бульку визначено до 1/10 мм.

У 1960-х роках половина фізиків частинок уважали за своє головне завдання дослідження отриманих світлин і тлумачення результатів. Цей метод добре пристосовано до відносно рідкісних явищ. Бульбашкові камери існували до