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

легко зрозуміти. Фізика частинок довгий час обмежувалася ступанням у слід Резерфорда — бомбардували нерухому ціль прискореними частинками, вивчаючи, що з цього вийде. Головним мотивом були пошуки нових рівнів елементарності у спосіб стеження за напрямком частинки після зіткнення. Другий мотив — творення нових частинок. Подібний експеримент мав місце в лабораторному притулку, де зазвичай працюють фізики. У такій конфігурації енергія, що рухає частинкою, якою бомбують, допомагає утворювати вторинні частинки, урухомлюючи їх. А й справді, збереження імпульсу (p=mv, де m — маса, а v — векторна швидкість частинок) примушує частинки, що вилітають, слідувати за частинкою, що бомбує.

За конфігурацією колайдера первісні частинки посідають якості протилежних рухів. Взаємодія відбувається за нульового сумарного імпульсу. Кажуть, що зіткнення відбувається у цятці центру маси. Це дозволяє створювати нові частинки набагато більших мас, оскільки будь-яку енергію зіткнення можна повністю перевести у масу. Аби підкреслити перевагу такої конфігурації, зауважмо, що відповідна енергія, яку має посідати протон, що бомбує інший протон на цілі, аби урівняти умови функціонування у LHC — великому адронному колайдері — найпотужнішому на сьогодні приладі, повинна дорівнювати 100 000 ТеВ. Це нереально!

Електрони і позитрони — елементарні частинки, їх зіткнення мають чимало переваг. Анігіляція дозволяє переводити всю енергію, доступну в первісному стані, в масу частинок відповідно до рівняння Айнштайна E=mc2. Початковий стан, за остаточним визначенням — це чиста енергія. Одначе не про чисту енергію йдеться під час зіткнення протонів, яке можна уявити, як зіткнення двох торбин із кулями, адже протони — не елементарні. Тлумачити акти, отримані у разі зіткнення електронів з протонами, набагато простіше.

Утім, обрахувати анігіляцію — електромагнітне явище — неважко. Ефективний переріз зменшується, як і квадрат доступної енергії. Ефективний переріз взаємодії визначає вірогідність її здійснення. Зіткнення двох частинок може бути більш або менш успішним у сенсі утворення нових частинок. Ефективний переріз буде то вищим, що легше утворення акту.

Кільце колайдера SPEAR почало діяти 1973 р. Йому допомагав детектор із аналізу зіткнень, відомий як «Марк-1». Було здійснено низку обчислень, аби точно визначити зміни ефективного перерізу анігіляції залежно від енергії приладу, що послідовно збільшується «кроками» у 100 МеВ. Результати настільки не збігалися з прогнозом, що ніхто нічого не зрозумів. За найвищого з можливих рівнів енергії збирали приблизно вдвічі більше актів, ніж передбачалося. Звинувачувати в чомусь електромагнітну теорію було безглуздо — адже все ретельно перевірили. До того ж дані, отримані за енергії у 3,1 ГеВ (1,55 ГеВ на кожен пучок, на перший погляд не здавалися сталими і не демонстрували якихось неймовірних результатів.

Літо 1974 р. було позначено самоаналізом. Отримані результати не справджували прогнозів, і ніхто не знав, як їх витлумачити. Декому здавалося, ніби з’являється нова взаємодія, що накладається на електромагнітну. Дуже ретельно вивчили аналіз даних, одержаних за енергії 3,1 ГеВ.

Ні в сих, ні в тих група була до вихідних 10 листопада. Цей день став днем звільнення. Вирішили ще раз зібрати дані в сегменті 3,1 ГеВ — саме ця енергія, здавалося, могла дати ключ до розгадки, — проте обережніше, з інтервалами в 1 МеВ. Загадку розкрили, констатувавши, що за енергії 3,096 ГеВ ефективний переріз збільшувався просто на очах. На екрані головного комп’ютера у лічильній залі акти виникали шквалами, хоча минулого разу між двома випадками могло минути кілька хвилин. Експеримент випадково натрапив на специфічний резонанс — невідомого типу, коли ефективний переріз зростає до мізерного коефіцієнта 2 на вершині піку. Тут зростання досягало коефіцієнта 100.

Попередній аналіз здійснювали, не переймаючись точною кількістю енергії приладу — йшлося про доволі грубе сканування, пошук невисокого рівня змінності ефективного перерізу. Сканування — мов крізь дрібне сито — виявляло пік, раніше не помічений на рисках вимірювання.

Резонанс, відкритий таким чином, мав одну дивну властивість: він був неймовірно вузьким, а тривав набагато довше, ніж можна було очікувати від резонансів відомих на той час типів з тотожною масою. Сталася справжня революція — існування резонансу не можна було пояснити в рамках теорії моментів. Казус указував на якусь нову фізику. Цей резонанс назвали ψ-резонансом — на той час майже всі літери грецької абетки було зайнято іншими частинками.

Для фізиків ця пригода стала справжнім дивом. Звичайно відкриттям у фізиці не дуже радіють. Адже здебільшого вони приводять до тривалих пошуків, а тлумачення отриманої інформації змінюється залежно від зростання статистики зібраних даних. Дуже часто відкриття спирається на теоретичне передбачення, позбавляючи практиків більшої частини заслуженої ейфорії. А тут — повна несподіванка!

Залишалося підвести під відкриття теорію. Теоретики SLAC негайно зібралися на тижневий з’їзд. Навколо двох вірогідних ідей згуртувалися два табори: з одного боку, обстоювали думку про появу четвертого типу кварків, з іншого — ідею про утворення нового характерного квантового числа — кольору. Невдовзі зійшлися на кварку, який охрестили зачарованим. Нова ψ-частинка, як виявилося, входила до складу зачарованого кварка та його антикварка. Насправді риси четвертого кварка було описано вже давно — так намагалися пояснити деякі аномалії, а розмови про новий резонанс точилися ще за рік до відкриття, але тоді практики не взяли це до уваги.

Теоретики вдосконалили модель, що дозволила провести решту експерименту, в ході якого впродовж двох років було відкрито спершу нові стани, близькі до ψ, але з більшими масами, а згодом — стани шармонія, тобто сукупності збуджень поєднання кварк-антикварк. Нарешті в 1976 р. відкрили голий чар, себто складники, що пов’язують новий кварк із попередніми. З’явилася родина доти невідомих частинок.

Ідея кварка, яку досі вважали зручним, хоч і дещо надуманим риштованням для розуміння структури матерії, виявилася досить хисткою. Невдовзі постали нові відкриття. Ціла симфонія актів тримала нову теоретичну будову.

Паралельно у Брукгейвенській лабораторії проводили інший експеримент. Він досліджував можливість утворення — під час зіткнення протонів — нових частинок, які розпадалися б на пари електрон-позитрон. Такі частинки — векторні мезони ρ, ω та φ масою до 1 ГеВ — вже були добре відомі, тож сімейство хотіли поповнити. І справді, у даних, зібраних влітку 1974 р., було зафіксовано пік. Це свідчило про нову частинку, спочатку названу J. Без сумніву, йшлося про стан, раніше виявлений додатковими методами, тож, аби нікого не образити, частинку перейменували у J/ψ — дещо химерна назва, яка, проте, збереглася до наших днів. У 1976 р. — незабаром після відкриття Бертон Ріхтер і Семюел Чжаочжун Дін одержали Нобелівську премію за «винахід масивної елементарної частинки нового типу».

Проте на цьому шафка з сюрпризами «Марка-1» не спорожніла: 1975 р. в ході експерименту було відкрито тау — брата електрона й мюона, що започаткував третє сімейство елементарних складників. Феноменологію третього зарядженого лептона вже було описано. Отже, теорія вже існувала, залишалося довести існування такої частинки і визначити її масу. Пошуки