Лоуренс Максвелл Краус - Таємниці походження всесвіту

проходження крізь неї зарядженої частинки формувалися траси з бульбашок; це було схоже на спостереження інверсійного сліду літака, який летить настільки високо, що його самого не видно.

Що цікаво, коли 1968 року експериментатори, які збудували «Ґарґамеллу», зустрілися задля обговорення планів експериментів із нейтрино, ідея пошуку нейтральних струмів навіть не згадувалася – яскрава ознака того, як багато фізиків тоді вважали це питання закритим. Значно більше їх цікавила можливість піти стопами нещодавніх захопливих експериментів у Стенфордському центрі лінійного прискорювача (СЦЛП), де високоенергетичні електрони використовували як зонди для дослідження структури протонів. Використання зондів для протонів нейтрино могло дати чистіші результати вимірювань, адже нейтрино незаряджені.

Проте 1972 року, після публікації результатів ‘т Гофта та Велтмана, експериментатори почали серйозно ставитися до опису слабкої взаємодії за допомогою калібрувальної теорії, зокрема у варіанті Ґлешоу – Вайнберґа – Салама. Це означало пошук нейтральних струмів. У принципі в рамках колаборації «Ґарґамелла» це було можливо, хоча вона на це не була розрахована.

Більшість високоенергетичних нейтрино в пучку взаємодіятимуть із протонами в мішені, перетворюючись на мюони – важчих напарників електронів. Мюони виходитимуть із мішені, утворюючи довгий зарядженочастинковий трек аж до самого краю детектора. Протони перетворюватимуться на нейтрони, які самі по собі треків не утворюватимуть, проте стикатимуться з ядрами, породжуючи нетривалу зливу заряджених частинок, які залишать треки. Таким чином, експеримент було розроблено так, щоб зафіксувати мюонні треки й побічні зливи заряджених частинок, які виникатимуть як окремі сигнали тієї самої слабкої взаємодії.

Проте подеколи нейтрино взаємодіятиме з речовиною поза детектором, породжуючи нейтрон, який може відбитися назад у детектор і вступити у взаємодію там. Такі події складатимуться з однієї сильно взаємодійної зливи частинок, породжених зіткненням нейтрона, без супутнього мюонного треку.

Коли «Ґарґамелла» почала шукати події нейтрального струму, ці ізольовані зливи заряджених частинок без супутнього мюона стали просто сигналами, на яких мали зосередитися науковці. У рамках події нейтрального струму нейтрино, яке взаємодіє з нейтроном чи протоном у детекторі, не перетворюється на заряджений мюон, а просто відскакує та полишає детектор непоміченим. Спостережуваною буде лише віддача у вигляді ядерної зливи – така ж сигнатура, як у випадку більш звичних нейтринних взаємодій поза детектором, у яких зароджуються нейтрони, які відскакують назад у детектор та породжують ядерну зливу.

Таким чином, якщо завданням експерименту було впевнене засікання подій нейтрального струму, основною складністю було відрізнити події, спричинені нейтрино, від подій, спричинених нейтронами (ця сама проблема становила основну складність для експериментаторів, які шукали які-небудь слабко взаємодійні частинки, зокрема гіпотетичні частинки темної матерії, які нині розшукують у підземних детекторах по всьому світу).

На початку 1973 року було зафіксовано одиночний зворотний електрон за відсутності в детекторі будь-яких інших зарядженочастинкових треків. Це могло бути наслідком передбачених більш рідкісних нейтральнострумових зіткнень між нейтрино й електронами замість протонів чи нейтронів. Проте зазвичай однієї події замало для впевненого ствердження про нове відкриття у фізиці елементарних частинок. Одначе це давало надію, і до березня 1973 року ретельний аналіз нейтронних задників та спостережуваних ізольованих злив частинок почав наводити на думку, що слабкі нейтральнострумові взаємодії справді існують. Хай там як, та лише станом на липень 1973 року дослідники з ЦЕРН виконали достатню кількість перевірок, щоб достатньо впевнено стверджувати про виявлення нейтральних струмів, що вони й зробили в серпні на конференції в Бонні.

Тут наша оповідь могла б добігти свого кінця, проте, на жаль, невдовзі після цього інша група науковців, яка шукала нейтральні струми, повторно перевірила своє обладнання та виявила, що одержаний раніше сигнал нейтральних струмів зник. Це викликало значне збентеження та скептицизм у фізичній спільноті, і існування нейтральних струмів знову було поставлено під сумнів. Урешті-решт члени проекту «Ґарґамелла» почали з чистого аркуша, протестували свій детектор безпосередньо пучком протонів та зібрали значно більше даних. На конференції, яка відбувалася майже рік по тому, у червні 1974-го, команда «Ґарґамелли» представила непереборні докази існування потрібного сигналу. Водночас група-конкурент виявила причину своєї помилки та підтвердила результат «Ґарґамелли». Ґлешоу, Вайнберґа й Салама було реабілітовано.

Нейтронні струми було одержано, і здавалося, що видатне об’єднання слабкої та електромагнітної взаємодій вже у наших руках. Проте дві проблеми й досі залишалися невирішеними.

Існування нейтральних струмів у розсіюваннях нейтрино підтверджувало ідею існування Z-частинки, проте не гарантувало, що реальна слабка взаємодія ідентична варіанту Ґлешоу, Вайнберґа й Салама, за яким слабка й електромагнітна взаємодії були об’єднані. Дослідження цього питання вимагало експерименту з використанням частинки, яка брала участь і в слабкій, і в електромагнітній взаємодії. Для цього ідеально підходив електрон, оскільки він здатен брати участь лише в цих двох взаємодіях.

Коли електрони взаємодіють з іншими зарядами за рахунок електромагнітного тяжіння, ліво-та праворукі електрони поводяться ідентично. Проте теорія Ґлешоу – Вайнберґа – Салама вимагала, щоб для ліво-та праворуких електронів відбувалася по-різному. З цього випливало, що ретельне вимірювання розсіювання поляризованих електронів – електронів, від самого початку переведених до ліво-чи праворукого стану за допомогою магнітних полів – на різних мішенях має виявити порушення ліво-правої симетрії, проте не таке величезне, як асиметрія, яка спостерігається в розсіюваннях нейтрино, які є суто ліворукими. Тоді ступінь порушення симетрії в електронних розсіюваннях, якщо таке буде, відображатиме міру змішування слабкої взаємодії та електромагнетизму в рамках об’єднаної теорії.

Якщо вже на те пішло, ідею перевірки наявності такої інтерференції за допомогою розсіювання електронів запропонував ще аж 1958 року видатний радянський фізик Яків Борисович Зельдович. Проте мине двадцять років, перш ніж удасться провести достатньо чутливі експерименти. А щодо відкриття нейтрального струму, то тут дорога до успіху була вкрита вибоїнами та містила купу поворотів не туди.

Однією з причин, чому на перевірку цієї ідеї пішло настільки багато часу, є те, що слабка взаємодія слабка. Через домінування електромагнітної взаємодії електронів із матерією, ступінь ліво-правої асиметрії, передбаченої з огляду на можливий обмін Z-частинкою, був малим, менш ніж одна десятитисячна. Для перевірки наявності такої малої асиметрії пучок має бути одночасно інтенсивним та з чітко визначеною початковою поляризацією.

Найкращим місцем для проведення цих експериментів був Стенфордський лінійний прискорювач – збудований 1962 року електронний лінійний прискорювач завдовжки дві милі, який був найдовшою та найпрямішою будівлею з коли-небудь збудованих.