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

світло, але не змінює довжини хвилі. Аби вирізнити менші деталі, слід скористатися електронним мікроскопом. Цей прилад використовує потоки електронів, прискорених завдяки електричній напрузі до енергії в тисячі разів більшої, ніж енергія оптичних фотонів (кеВ). Таким чином стають доступними розміри атомного рівня. Резерфорд використав у тисячу разів потужніше (МеВ) випромінювання, аби зондувати ядро. Космічні промені дають, як ми вже мали змогу побачити, цілком природну можливість піти ще далі, проте умови використання — ризиковані. В систематичних обчисленнях економити на прискорювачах не можна.

Природа зонда, що використовується, також є дуже важливою. Обраний зонд не повинен бути структурою на тому ж рівні розмірів, на якому відбувається дослідження. Так, прискорений протон можна уявити як торбу, повну кварків, що ділять між собою сукупну енергію частинки-снаряду. Коли протон взаємодіє, на елементарному рівні кварків не можна з точністю сказати, яку саме енергію має задіяний складник. Оскільки кварки не здатні вільно являтися, той, який взаємодіє, перш ніж дати себе виявити, «вдягається», через що виміряти безпосередню енергію дифузії дуже складно.

Тож, аби вивчити внутрішню будову матерії, за зонди взяли електрони. Хоч би якою була шкала, вони завжди будуть на ній цятками. Згодом дуже цінними інструментами дослідження елементарної структури стануть і нейтрино.

Завдяки прискорювачеві електронів, зведеному у Стенфорді, — він досягає потужності у 100 МеВ, що відповідає довжині хвилі, меншій за 10-15м, — і техніці, винайденій Резерфордом, Роберт Гофстедтер взявся визначити розміри та внутрішню структуру протону. У 1961 р. він отримав Нобелівську премію за «електронну дифузію та структуру нуклона».

Пошуки тривали завдяки новому прискорювачеві, зведеному у велетенському університетському містечку у Стенфорді та названому чудовиськом через розміри, які в ті часи могли видатися величезними. Будівництво було завершене 1966 р., прискорювач лінійного типу був задовжки 4 км. Цю пряму, що перетинає пагорби, легко побачити з літака перед приземленням у Сан-Франциско. SLAC — Стенфордський лінійний прискорювач дозволяв електронам досягати енергії, яка тоді вважалася колосальною — 20 ГеВ. Дослід із дифузією, здійснений завдяки цьому приладові, 1990 р. приніс Нобелівську премію Джеромові Айзекові Фрідману, Генрі Вею Кендоллу та Ричардові Едвардові Тейлору за «глибоко непружну дифузію електронів і кваркову модель». На другому етапі стенфордський прискорювач було модернізовано, і 1990 р. його енергія могла сягати рівня 50 ГеВ.

Два уточнення. Енергія електронів рівня 20 ГеВ вважається колосальною, хоча з 1958 р. такого рівня досягали протони. Але з електронами досягти високого рівня енергії значно важче. Адже маса в них невисока, і випромінюють вони слабувато — електрони втрачають енергію, коли хтось намагається змінити траєкторію їхнього руху, що пояснює, чому прискорювачі електронів із високим рівнем енергії є переважно лінійного типу. Масивніші протони поглинають усю приступну енергію. Втрати енергії, яких вони зазнають через викривлення траєкторії в магнітному полі, починаються з рівня енергії, досягати якого нині навчилися.

До речі, з відкриттям Ω-баріона кваркову структуру адронів було затверджено. Але про це дізналися з даних щодо симетрії, а не завдяки динамічному виявленню. Експерименти з дифузією намагалися знайти структуру протона у вигляді твердих об’єктів, що їх називали партонами, тобто невеличкими частинками. Це підтвердив дослід у Стенфорді. Згодом партони ототожнили з кварками, але партони виходили за межі трьох уже описаних типів кварків, названих кварками валентності, оскільки вони передають свої властивості частинкам. У протоні повно партонів, адже поруч із введеними кварками існує безліч пар кварк-антикварк, що їх нині ми навчилися майстерно зондувати.

Аби продовжувати дослідження в цьому напрямку, довелося сплатити високу ціну. З часом прилади ставали дедалі більшими. Щоби зводити їх і проводити спостереження, потрібна була широка співпраця. Бекерель працював сам, викладаючи на обпечене сонцем підвіконня кристали, що містили уран. То був щасливий час, коли фундаментальні відкриття робилися на самоті! Резерфордові допомагали двоє молодших співпрацівників, що обраховували вплив α-променів на екран із сульфіду цинку. Для введення в дію перших прискорювачів потрібна була низка експертів, а на передовій опинялися інженери, необхідні для їхнього зведення. Та й експерименти об’єднували команди з кількох фізиків. У 1964 р. дослід, що привів до відкриття порушення СР, поєднав лише чотирьох науковців, двоє з яких поділили між собою Нобелівську премію.

Співпраця вчених у роботі з бульбашковими камерами поширювалася відповідно до кількості світлин, що їх треба було обробити. Вивчення світлин відбувалося звичайно простим оком, а машини запам’ятовували характеристики шлейфів. Найточніші дослідження потребували до 100 тис. світлин, і кожна з них вимагала — відповідно до складності — від хвилини до години; тож зрозуміло, чому в більшості лабораторій постало питання про окреме вивчення світлин — це завдання виконували десятки фізиків. Та це ніщо порівняно з арміями науковців, які йшли на приступ експериментів.

Готується ЦЕРН

Фізики частинок спершу роз’їхалися по університетах, розкиданих по Європі та Північній Америці, а згодом і в Японії, та зосередилися навколо кількох прискорювачів, і кожен з них прагнув якнайпотужнішого приладу. За часів першопрохідців розміри приладів були університетськими, а самих центрів було досить багато. Згодом, через потребу користувачів у більшій енергії, прилади більшали, а центри набували національного та міжнародного статусів.

У радянській Дубні звели протонний прискорювач на 10ГеВ — рекордсмен свого часу. У лабораторії працювали вчені з деяких країн Сходу та Азії. У 1958 р. з’явився ЦЕРН із протонним прискорювачем на 28 ГеВ — це стало символом відродження континенту після лихоліть війни. По кількох місяцях запрацював прискорювач у Брукгейвені, який із незначною перевагою став новим рекордсменом.

Сьогодні ЦЕРН можна вважати лабораторією світового рівня, — адже в ньому працює половина з 8 тис. фізиків частинок, які живуть на земній кулі. Щоправда, більшість із них не мешкають у ЦЕРНі, а відвідують його на певні періоди часу. Під час «золотої доби» постійний персонал ЦЕРНу налічував 4500 осіб — інженерів, техніків, адміністраторів, — що спирався на кістяк із кількадесят фізиків. Нині тут постійно працює близько 2 тис. осіб.

У 1960—70-х роках такий прискорювач, як у ЦЕРНі, дозволяв проводити кілька дослідів паралельно. Центральна машина прискорює протони, а отриманий потік можна переділяти на кілька пучків. Протони можна використовувати для безпосереднього бомбування мішені, але з них можна й утворювати пучки різноманітних вторинних частинок. Таким чином утворюються потоки піонів, фотонів, мюонів або нейтрино, енергія яких залишатиметься в межах початкової енергії протонів-генераторів. У ті часи в ЦЕРНі існували дві великі зали, де постійно відбувались експерименти, кожен із яких мав власний потік, що живив детектор, призначений для вузького дослідження, власну контрольну кімнату, затиснуту між високими бетонними стінками, що поглинали небажану радіацію.

Величезній кількості експериментів відповідав широкий спектр тем досліджень. Хтось спеціалізувався на вивченні резонансів, хтось — на фізиці каонів або