«Этюды о частицах: от рентгеновских фотонов до бозона Хиггса»

Представления физиков об элементарных частицах с момента открытия электрона, которое произошло меньше 130 лет назад, менялись многократно и кардинально. Параллельно с совершенствованием теоретических моделей существенно усложнялось и экспериментальное оборудование для их исследования. Теоретики расширяли модели кварками, антиматерией, векторными бозонами и квантовой теорией поля — экспериментаторы постепенно двигались от камеры Вильсона и трубки Гейсслера к ускорителям и многомиллиардным коллайдерам. В книге «Этюды о частицах. От рентгеновских фотонов до бозона Хиггса» (Товарищество научных изданий КМК) историк науки Алексей Левин рассказывает об эволюции физики элементарных частиц: как в течение последних полутора веков менялось представление физиков о том, что происходит внутри атомов и ядер и как субатомные частицы взаимодействуют друг с другом. Книга вошла в длинный список премии «Просветитель» 2025 года. Предлагаем вам ознакомиться с фрагментом о драматичном открытии J/ψ-мезона, состоящего из очарованных кварка и антикварка, и реакции на него.

Восток не спешит

В 1960 году в Брукхейвенской Национальной лаборатории на Лонг-Айленде был запущен синхротрон AGS, который упоминался в предыдущей главе. Напомню, что он разгонял протоны до энергии 33 гигаэлектронвольт и до 1968 года оставался самым мощным ускорителем этого типа во всем мире. Сейчас он входит в состав ускорительного комплекса «Релятивистский коллайдер тяжелых ионов» (Relativistic Heavy Ion Collider, RHIC), в котором ведутся эксперименты по получению и исследованию высокотемпературной смеси кварков и глюонов, которую называют кварк-глюонной плазмой. Такие же эксперименты ведутся и на Большом адронном коллайдере.

Весной 1974 года профессор МТИ Сэмюэл Чжаочжун Тинг с сотрудниками установили на AGS очень чувствительный магнитный спектрометр собственной конструкции. Они планировали его использовать для изучения электронов и позитронов, которые должны были возникать при распаде адронов, рожденных в столкновениях протонов с ядрами бериллия. К середине июля прибор был отлажен, и измерения начались.

Сначала группа Тинга отслеживала электронно-позитронные пары, которые можно было приписать распаду частиц с массами от 3,5 до 5,5 гигаэлектронвольта. Этот поиск не принес ничего интересного, и 31 августа Тинг решил перейти к интервалу 2,5–4 гигаэлектронвольт. Уже 2 сентября его постдок Теренс Роадс заметил на компьютерных распечатках явный избыток электронов и позитронов, который можно было приписать распаду неизвестной частицы-предшественника с массой около 3 гигаэлектронвольт. Не будучи уверен в столь радикальной интерпретации, Роадс ничего не сказал шефу, который в тот день улетел в Женеву и возвратился только 10 сентября. К этому времени две команды ассистентов Тинга занялись загадочными всплесками. Сначала они сочли их за компьютерную ошибку и продолжали держать Тинга в неведении. К тому же для пущей надежности обе команды действовали независимо и не обменивались информацией, что могло бы ускорить работу. В итоге лишь к середине октября они окончательно убедились, что спектрометр регистрировал узкие пики рождения электронно-позитронных пар с суммарной энергией порядка 3,1 гигаэлектронвольта.

13 октября они наконец сообщили Тингу о полученных результатах. В ретроспективе очевидно, что открытие новой частицы тогда уже состоялось. В норме Тинг и члены его команды должны были немедленно забить свой приоритет, срочно подготовив статью для публикации в престижном журнале. Если бы так и произошло, история открытия была бы куда менее драматичной, нежели в действительности. Однако Тинг славился осторожностью и опасался выступить с преждевременным заявлением. Поэтому он решил провести еще одну серию измерений, а пока попросил помощников держать рот на замке. Обработка новых данных была закончена к концу октября и опять показала острый пик на такой же энергии. Помощники убеждали Тинга немедленно обнародовать эти сенсационные результаты, но тот все еще колебался и терял драгоценное время. В итоге он приступил к работе над статьей лишь 6 ноября, да и то без особой спешки. Он наверняка не тянул бы с публикацией, если бы знал, что еще одна группа физиков наступает ему на пятки. Но боги распорядились иначе.

А запад торопится

В 1966 году в Стэнфордском университете был запущен линейный ускоритель электронов SLAC, разгонявший эти частицы до рекордной по тому времени энергии 20 гигаэлектронвольт. Как уже говорилось, эксперименты на этой машине сыграли важнейшую роль в экспериментальном обосновании теории кварков. Через шесть лет к ней добавили накопительное кольцо SPEAR, позволявшее сталкивать ультрарелятивистские электроны и позитроны. Одним из инициаторов создания этого комплекса был профессор Бертон Рихтер. Он собирался провести на нем серию экспериментов, которые были своего рода зеркальным отражением экспериментов Тинга. Физики из Брукхейвена регистрировали электронно-позитронные следы взаимодействий между адронами, а их калифорнийские коллеги с помощью своего фирменного детектора Mark I отлавливали адроны, возникшие при лобовых столкновениях электронов и позитронов. При этом они могли понемногу изменять энергию сталкивающихся частиц и тщательно отслеживать последствия каждого такого шага.

Группа Рихтера приступила к работе на кольце SPEAR весной 1973 года. В течение полутора лет ничего особенного не происходило. Однако в середине октября 1974 года постдок (опять постдок!) Рой Швиттерс заметил небольшое (всего 30 процентов) увеличение темпов образования вторичных частиц при суммарной энергии электронов и позитронов в 3,1 гигаэлектронвольта. К концу месяца он убедился в реальности этого эффекта и 4 ноября поделился своими выводами с Рихтером. Правда, тогда не было ясно, какие именно частицы возникали при такой энергии. Однако к 8 ноября члены этой же команды Герсон Голдхабер и Скотт Уиттэкер пришли к заключению, что среди продуктов столкновений встречается множество каонов. Это позволяло предположить, что каоны (напомню, что они обладают ненулевой странностью!) возникли в результате распада массивных частиц, содержащих очарованные кварки.

И вот тут стэнфордским физикам крупно повезло. Позже выяснилось, что Голдхабер и Уиттэкер ошиблись, каоны в этом эксперименте не рождались. Однако Рихтер им поверил и немедленно начал контрольные измерения с увеличением энергии сталкивающихся частиц малыми шажками. В субботу и воскресение 9 и 10 ноября калифорнийские ученые лихорадочно трудились, промеряя интервал энергий от 3,10 до 3,12 гигаэлектронвольта. К концу второго дня они получили фантастический результат — при суммарной энергии электронов и позитронов 3,105 гигаэлектронвольта интенсивность рождения вторичных частиц примерно в 100 раз превысила фоновый уровень! Отсюда однозначно следовало, что все они возникли в результате распада материнской частицы примерно такой же массы. После непродолжительных споров ее решили обозначить греческой буквой ψ (пси). Рихтер немедленно приступил к написанию статьи с сообщением об открытии, а телефон мгновенно разнес новость по научным центрам во всем мире. По иронии судьбы Тинг еще несколько часов находился в полном неведении. Воскресным вечером он вылетел из Нью-Йорка в Сан-Франциско и утром в понедельник добрался до Стэнфорда. Он привез материалы о работе своей группы, которые хотел обсудить с директором SLAC Вольфгангом Панофски. В кабинете Панофски Тинг столкнулся с Рихтером, и тут-то оба ученых узнали, что совершили одно и то же открытие.

Забросив все дела, Тинг закончил статью, где окрестил новую частицу буквой J. В тот же день он связался с директором итальянского центра по исследованию элементарных частиц во Фраскати, который располагал собственным электронно-позитронным коллайдером. Уже через два дня тамошние физики отъюстировали энергию сталкивающихся пучков на 3,105 гигаэлектронвольта и сразу зарегистрировали новую частицу. Через несколько дней все три группы направили свои сообщения в Physical Review Letters, где они и были опубликованы 2 декабря. Но еще 16 ноября Тинг и Рихтер дали совместную пресс-конференцию, и на следующий день информация об открытии появилась в The New York Times. В течение последующих месяцев группа Рихтера выполнила обширную серию измерений, которые выявили ряд свойств новооткрытой частицы. Стоит отметить, что для этого их аппаратура с ее возможностью плавно менять энергию сталкивающихся пучков была приспособлена практически идеально. Аппаратура Тинга таких возможностей не давала, поэтому аналогичной информации из Брукхейвена не пришло.

Как бы то ни было, группы Рихтера и Тинга сделали свое замечательное открытие одновременно и совершенно независимо, причем разными способами. Два года спустя их лидеры разделили за это достижение Нобелевскую премию по физике. Если бы Тинг не задержал публикацию, он почти наверняка стал бы единственным лауреатом. Так что принцип «поспешишь — людей насмешишь» работает не всегда.

Ноябрьская революция 1974 года в полувековой ретроспективе

Поскольку ни Тинг, ни Рихтер не хотели пожертвовать правом дать имя коллективно открытому адрону, он вошел в каталог субатомных частиц как J/ψ. Сейчас известно, что это мезон, связанное состояние с-кварка и его антикварка. Поскольку очарование с-кварка равно единице, а с-антикварка — минус единице, очарование мезона J/ψ равно нулю. Его массу неоднократно уточняли в экспериментах. По последним данным, она равна 3,0969 гигаэлектронвольта и, следовательно, в 2,4 раза больше массы с-кварка. Удивляться этому не приходится, поскольку в массы адронов вносят вклад не только кварки, но и глюоны.

Понимание природы новой частицы пришло не сразу. Несколько физиков-теоретиков, в том числе и Шелдон Глэшоу, расшифровали ее практически немедленно. Однако были и другие версии. В мае 1976 года Голдхабер и работавший с ним на кольце SPEAR визитер из Франции Франсуа Пьер открыли первую частицу с ненулевым очарованием, состоящую из с-кварка и u-антикварка. После этого четвертый кварк получил полное признание физиков.

Что же принесла Ноябрьская революция 1974 года? Об этом мне рассказали ее отцы-основатели, с которыми я имел честь поговорить в 2014 году, когда отмечалось ее 40-летие. Профессор Рихтер отметил, что открытие J/ψ-мезона было делом случая. Его эксперимент был задуман еще в 1963 году, когда кварковой модели еще вообще не существовало, а SLAC только строился. Но даже десятью годами позже, когда начались измерения на кольце SPEAR, об очарованных кварках Рихтер и его коллеги даже не думали. Природа послала им открытие, которого они совершенно не ожидали.

Шок от этого открытия, по мнению Рихтера, вполне объясним. К середине 1970-х годов была уже построена Стандартная модель элементарных частиц, которая тогда включала лишь u-, d- и s-кварки. Естественно, что в ней не было места частицам, имеющим в своем составе хоть один дополнительный кварк. Поэтому одновременное открытие нового мезона в двух лабораториях произвело эффект разорвавшейся бомбы. Потом в течение пары недель эти результаты подтвердили еще три группы экспериментаторов. Новая частица была столь массивной, что никак не могла оказаться композицией «старых» кварков. После ее открытия стало понятно, что Стандартная модель в ее тогдашнем виде неполна и нуждается в расширении. Потребность в серьезном пересмотре основополагающих теорий возникала в истории науки много раз, и не только в физике, но в данном случае она была осознана с рекордной скоростью. Именно поэтому, по мнению Рихтера, открытие J/ψ-мезона было признано достижением революционного масштаба. Что до выражения «Ноябрьская революция», то оно, как вспоминает Рихтер, появилось спонтанно, и сейчас уже трудно выяснить, кто его придумал.

Сэмюэль Тинг признался, что ни он, ни его сотрудники тоже не задумывались об очарованном кварке и тем более не надеялись найти его следы в своем эксперименте. Тинг, разумеется, был хорошо осведомлен об этой гипотезе и не раз обсуждал ее с теоретиками, однако свой эксперимент в Брукхейвене он задумал вовсе не для ее проверки. Даже в середине октября 1974 года, когда он и его ассистенты поняли, что наткнулись на что-то совершенно необычное, они не связали полученные результаты с рождением очарованных кварков. Так что и они, как и физики из группы Рихтера, далеко не сразу осознали смысл и значение своего открытия.

Ноябрьская революция, подчеркнул Тинг, сработала не только на сиюминутные нужды физики субатомных частиц, но и на отдаленную перспективу. Она укрепила позиции высказанной в 1973 году гипотезы, которая утверждала существование третьего кваркового дублета. Экспериментаторы взялись за его поиски, и со временем они принесли плоды. В 1977 году был обнаружен один из членов этого дублета b-кварк, а еще через 18 лет — его сверхмассивный партнер t-кварк. Оба кварка, равно как и с-кварк, удалось успешно включить в Стандартную модель.

После 1995 года не было открыто ни одного нового кварка, сказал Тинг, однако никто не знает, каким станет список этих частиц через сто лет. Возможно, что других кварков не существует в природе, но их наверняка будут искать и на Большом адронном коллайдере в окрестностях Женевы, и на ускорителях следующих поколений. Так что, закончил Тинг, Ноябрьская революция сильно подтолкнула прогресс физики высоких энергий.

Подробнее читайте:
Левин, А. Е. Этюды о частицах. От рентгеновских фотонов до бозона Хиггса / А. Е. Левин. — Москва: Товарищество научных изданий КМК, 2024. — 321 с.