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

1980-х років, зокрема їх використовували для вивчення взаємодій нейтрино внаслідок кількох актів. Проте бульбашкові камери мають значну ваду — у часовому вимірі. Механічний толок може вмикатись у середньому раз на секунду, тож камері бракує швидкості. За кілька місяців у бульбашкових камерах таланило зробити від десяти до ста тисяч світлин. Цієї статистики недостатньо для тлумачення проблем, що постають згодом, коли для незвичайних випадків потрібні мільйони, ба навіть мільярди актів. Нині від методу відмовилися, проте він зробив потужний внесок у розвиток галузі, явивши світу безліч мезонів та баріонів — що підтверджує відкриття Ω-баріона. «Сканувальниці», відповідальні за опрацювання світлин, перейшли до рангу звичайних секретарок.

Поступ, здійснений завдяки цій технології, був такий, що за нього дали аж дві Нобелівські премії. Спершу 1960 р. Дональд Артур Ґлейзер одержав премію за «винахід бульбашкової камери». Згодом, 1968 р. прийшла черга Луїса Волтера Альвареса за «внесок у фізику елементарних частинок, що став можливим завдяки водневій бульбашковій камері». Бульбашкова камера на рідкому водні мала величезну перевагу — ціль, яка складалася практично з самих протонів. Взаємодії, які в ній виникали, можна було тлумачити одразу, не озираючись на ядерні перетворення.

У ті часи наукова спільнота переділялася на дві групи, приблизно однакові за чисельністю — «бульбашистів» та «електронників». Останні розвивали нові технології фіксації частинок. Вони будували прототипи, калібрували їх, а коли дослід нарешті набував форми, складали інформаційні коди, здатні переводити сигнали у фізичні дані. Технологія ж бульбашкової камери, натомість, була незмінною, а інженери зводили дедалі більші резервуари. Аналіз світлин здійснювали тендітні ручки «сканувальниць». Тож фізикам лишалося більше часу на тлумачення результатів. Вони занурювались у феноменологію. Для декого з них перехід до електричних технологій був надто болісним.

Другий привид

Наприкінці 1960-х років фізики постали перед новою дилемою. Нейтрино, вигадане, аби пояснити β-промені, завжди супроводжує електрон. Нейтрино відкрили 1956 р., і його взаємодія справді, як і передбачали теоретики, породжувала новий електрон. А точніше — позитрон, адже реактор породжує антинейтрино. Отже, існував вузький зв’язок між нейтрино та електроном.

До речі, тоді вже було відомо, що частинка, виявлена в космічному випромінюванні та описана Окк’яліні та Павеллом — піон — розпадається на мюон і щось таке, що забирає певну енергію. Як у випадку розпаду β-променів, цю енергію намагалися пов’язати з невидимою частинкою, утвореною разом із мюоном, але яку не пощастило зафіксувати. Ішлося a priori про нейтрино. До того ж мюон також розпадався на електрон, виявити який нескладно, і щось таке, що забирає енергію. Отже, виникла потреба ще раз згадати про нейтрино.

Було відомо про три види розпаду, що характеризувалися зникненням енергії, а проблема полягала в тому, щоби дізнатися, чи у трьох випадках ішлося про один і той самий тип нейтрино. Теоретики не могла дійти спільної думки, вирішити питання мав дослід.

З цієї нагоди вперше в історії науки у прискорювачі було створено справжній потік протонів. Рецепт був доволі простий: протони якомога вищої енергії бомбували мішень, де утворювалися піони, що їм дозволяли розпадатись у доволі великому просторі. Словом, скопіювали те, що відбувається в атмосфері перед утворенням космічної зливи з мюонів, які падають на землю.

Головний виклик експерименту полягав у складності виокремлення реакцій, спричинених кількома нейтрино, які вирішили зупинитися просто в осередді детектора. Адже проблема з нейтрино лишалася та сама: вірогідність взаємодії — мінімальна. Одначе нейтрино завжди супроводжує сила-силенна інших частинок, які за першої-ліпшої нагоди не відмовляють собі у взаємодії, утворюючи океан áктів-паразитів. Отже, складність одержання пучка нейтрино полягала в необхідності спершу зупинити всі частинки-паразити, перш ніж поставити під небезпеку детектор у надії зафіксувати вельми рідкісні акти, утворені самими лише нейтрино. Тож із заліза та бетону звели вражаючий бліндаж, що з усіх боків оточував детектор. Через свою невидимість лише нейтрино здатні перетинати матерію на своєму шляху.

Пучок було утворено в прискорювачі Брукгейвена — він дозволяв протонові отримати енергію в 30 ГеВ . Нейтрино породжувалися внаслідок розпаду піонів, а отже, вироблялись одночасно з мюоном, на відміну від β-променів, виявлених під час досліду Рейнза.

Якби в природі існував лише один тип нейтрино, прилад мав би зафіксувати під час взаємодій однакову кількість новоутворених електронів і мюонів. Нейтрино з реакторів, які використовувалися до цього часу, мали енергію, занизьку для породження мюона з масою, набагато більшою за масу електрона. І навпаки, якщо нейтрино з прискорювача різні, то й утворюватимуться винятково мюони.

Під час досліду поталанило зафіксувати двадцять дев’ять актів взаємодії. Усе вказувало на слід мюона. Жоден акт не показав чистого електрона, який, замість утворювати такий довжелезний шлейф, зібрав би скупчення цяток. Напрошувався висновок: нейтрино, утворене одночасно з електроном, породжує під час взаємодії електрон. Нейтрино, утворене одночасно з мюоном, породжує мюон. Отже, в природі існують принаймні два різні типи нейтрино, які, відповідно, можна назвати електронними і мюонними нейтрино. Дослід відбувся 1964 р., і його ініціатори — Леон Ледерман, Мелвін Шварц і Джек Штайнберґер — одержали Нобелівську премію 1988 р. за «метод пучків нейтрино та демонстрацію подвійної будови лептонів завдяки відкриттю мюонного нейтрино».

Фіксація нейтрино — величезна проблема. Взаємодіючи, нейтрино зникає, породжуючи низку вторинних частинок. Тип нейтрино визначається присутністю серед утворених частинок або електрона, або мюона, або інших частинок — скажімо, піонів. Зауважмо, що існують і антинейтрино. Різниця визначається безпосередньо за продуктами взаємодії: мюонний нейтрино породжує негативний мюон, а антинейтрино утворює позитивний мюон.

Отже, фіксація взаємодії нейтрино здійснюється так само, як і інші фіксації — у бульбашкових камерах або електронних приладах. Проблема — у винятковості потрібних актів і складності відмежування від взаємодій-паразитів, які проходять набагато легше. Аби компенсувати дуже слабку вірогідність взаємодії, акти виявлення нейтрино повинні спиратися на потужний струм і величезну масу детектора. Вже дослід Рейнза показав, яких розмірів можуть досягати детектори.

На щастя, джерела нейтрино майже завжди дуже щедрі. Сучасні ядерні реактори випромінюють приблизно сто мільярдів мільярдів нейтрино щосекунди (без шкоди для довкілля). Насправді це — електронні антинейтрино. Сонце ж щосекунди надсилає потік з 60 мільярдів електронних нейтрино на один квадратний сантиметр земної поверхні — і вдень, і вночі, адже й вночі земна твердь не зупиняє польоту нейтрино. Що ж до прискорювачів, то їхній потік залежить від кількості протонів, випущених у ціль. Типовий сучасний прилад може утворювати близько 1011 протонів за один цикл, що дозволяє випустити близько 108 нейтрино. Пучок нейтрино споживає всі протони, прискорені у приладі, тому так складно проводити кілька схожих дослідів паралельно. Фізики, які досліджують нейтрино, вимагають ексклюзивності своїх експериментів.

Розбите дзеркало

Часто у фізиці виникає питання симетрії. Але що воно таке — симетрія? Це перетворення, що залишає незмінними