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

велися на низьких енергіях, але безрезультатно. Відкриття було не таким однозначним, як у випадку з ψ. Робота йшла кропітка, кандидати на новачків збиралися повільно. Акти були анормального типу, бо начебто порушували принцип збереження квантового числа, пов’язаного з сімействами складників. У них брали участь один електрон і один мюон — і все, спостерігався брак енергії. Електрон і мюон належать до різних сімейств, тож, щоби зрозуміти подібний акт, треба уявити утворення на рівні зіткнення пари нових лептонів, кожен з яких розпадається в електронному або мюонному каналі.

Слід був вірогідний, та аж ніяк не певний. У впізнанні типу частинки часто трапляються казуси, тож ніхто не заклався би на відкриття нового лептона. Мартінові Льюїсові Перлу знадобилася вся його впертість, аби вдосконалити свій аналіз і переконати співавторів із відкриття. У 1995 р., після тривалого очікування Перла (разом із Фредеріком Рейнзом — за виявлення нейтрино) було вшановано Нобелівською премією за «новаторський експериментальний внесок у фізику лептонів», себто за відкриття τ-лептона. Хоч і йдеться про лептон (від грец. λεπτός — легкий), нова частинка важить майже вдвічі більше, ніж протон.

J/ψ і τ стали останніми неочікуваними відкриттями у фізиці частинок. Будуть і інші, проте вони вже не стануть таким вражаючим свідченням ні вигадливості теоретиків, ні вдачі та настирливої цікавості практиків.

Дослід на «Марку-1» є вершиною експериментальної фізики. Одначе цей прискорювач досить скромний порівняно зі стенфордським монстром. Його зводили власним офіційним коштом. Експеримент ніби видав вірчі листи методові колайдерів, який одразу набув небаченого поширення.

Прилад називали, наслідуючи традицію іменування прототипів в автомобільній промисловості — і він, справді, став першим у серії, яку продовжили «Марк-2», «Марк-3» та J. Він ввів у обіг концепт детектора соленоїдної структури 4π, що охоплював усі напрямки від центру, де відбувалися зіткнення. Перевага нового детектора була в тому, що не залишалося «дірок» під час виявлення та була впевненість у тому, що обраховано все. Кільце, що скеровувало потоки, перетинало детектор, а зіткнення відбувалися в його центрі. Усе перебувало в однорідному магнітному полі, рівнолежному потокам. Поле огинало сліди, що дозволяло виміряти заряд та енергію.

Різні типи детекторів могли щонайточніше визначити характеристики частинок, що випромінювались у центрі — не лише їхню енергію, а й саму їхню природу. Спершу центральний траєктограф стежив за зарядженими частинками. Тодішній метод ґрунтувався на дротових камерах ємнісного зчитування, які давали досить посереднє зображення та й швидкість мали нижчу, ніж камери Шарпака. Простеживши за всіма слідами, але не розрізняючи їх, учений виявляв електрон завдяки пучкові, що утворювався в приладі, названому калориметром. Мюон виявляли за межами структури, адже він легко перетинає великі обсяги матерії. Цей принцип вимірювання кількома детекторами згодом неодноразово наслідували — аж до нинішніх колайдерів.

Високоточна робота

Наприкінці 1980-х років фізика частинок динамічно розвивалась у чотирьох головних центрах: трьох у Сполучених Штатах і ЦЕРНі в Європі.

Треба визнати, що ЦЕРН, бюджет якого дорівнював бюджетам усіх трьох американських лабораторій, трофеями похвалитися не міг. Порівняно з відкриттями Ω, порушення ЗП, J/ψ та, у 1977 р., Y, що провіщала появу четвертого кварка — b-кварка, а також указувала на існування партонів, ЦЕРН міг похвастати хіба відкриттям слабких взаємодій з нейтральними струмами та впровадженням пропорційних камер, які, звісна річ, оновили всі методи виявлення. Авжеж, ЦЕРН здобувся на незаперечну репутацію компетентної установи, проте ніби затявся на сумлінних обрахунках, залишивши право чинити відкриття заатлантичним колегам. Справжня гегемонія ЦЕРНу почалася значно пізніше.

Найпереконливіший приклад — низка дуже цінних досліджень мюона. Відкритий у космічних променях мюон був подібним до важкого електрона, магнітні властивості якого не проявляли суттєвих відхилень від властивостей звичайного електрона. Починаючи з 1960-х років, електромагнітна теорія значно вдосконалилася. Щодо значення, яке характеризувало магнетизм електрона, експеримент показував 1,0059…, а теорія передбачала теж 1,0059… з десятьма, а згодом і дванадцятьма знаками після коми. У розрахунках брали до уваги взаємодію електрона з вакуумом, що за короткий час втілювалась у випромінювання та поглинання променів, з якими частинка могла би взаємодіяти. Що ж до електрона, то він не мав жодного іншого сліду взаємодії, крім електромагнетизму. Можна було сподіватися: якщо маса мюона залежить від таємничих взаємодій, то вони здатні змінити його магнетизм.

Тривалість життя мюона незначна — дві мільйонні частки секунди, тож проводити дослідження треба дуже швидко. Уперше магнетизм із точністю більшою, ніж до одної мільйонної, виміряли у ЦЕРНі. Потім експеримент повторили у кращих умовах. Тоді точність досягла однієї мільярдної; не було знайдено жодного відхилення в магнетизмі мюона.

Велич цих обчислень вражає. Мюон не зазнає жодної нової взаємодії; електромагнетизм підтверджується з небаченою точністю. Зауважмо, що, коли в 1990-х роках цей дослід повторили в Брукгейвені, невеличке відхилення таки знайшли, але теоретичні обрахунки настільки ускладнилися, що результат так і залишився не витлумаченим і нікому було констатувати порушення електромагнетизму.

Інженери ЦЕРНу також розробили перший протонний колайдер. ISR (Кільце перехресного накопичення) запрацювало 1971 р. Колайдер складався з двох окремих кілець із потоками, дуже точно скерованими на точки зіткнення. Попри технічний виклик, який було блискуче подолано, відкриття не вийшло, але набутий досвід призвів невдовзі до успіху. ISR поквапилися закрити у 1987 р. — і ніколи вже колайдер не мав такого довершеного детектора. Компенсація величезних зусиль була мізерною. Те саме сталось і з самобутнім протонно-електронним колайдером, зведеним у центрі DESY в Гамбурзі46. Йому ми зобов’язані виявленням струменів, що матеріалізують як кварки, так і «одягнуті» глюони. Проте від подібного приладу можна було очікувати і на інші несподіванки.

Великий — без перебільшення — внесок ЦЕРНу до 1980 р. ґрунтувався на, здавалось би, непоказному експерименті: бульбашковій камері «Ґарґамелла». Як указує вже сама назва47, це була масивна камера, заповнена важкою рідиною — фреоном. Камера розташовувалася на шляху потоку нейтрино.

Взаємодіючи, електронний нейтрино породжує електрон, а мюонний — мюон. Під час цього акту нейтральна частинка — нейтрино — прямо пов’язана з зарядженою, себто електроном. Тоді говорять про зарядовий струм, і сила, що пов’язує частинки, передається через обмін зарядженою частинкою, існування якої тоді лише припускалося — W (так само в електромагнітній взаємодії відбувається обмін одним фотоном).

Одначе теорія передвіщала існування іншого типу взаємодії — нейтрального струму, в якому відбувається обмін на нейтральну частинку Z0. У ході такої реакції початковий нейтрино може втрачати енергію, проте після зіткнення він виникає знову. У такому випадку β-радіоактивність та всі відомі взаємодії нейтрино тлумачилися лише обміном W: що ж до обмінів Z0, то невже вони також існували в природі?

A priori «підпис» легко розпізнати: під час пошуків взаємодії нейтрино в детекторі, розташованому в потоці — як у Брукгейвені, —