Зачарований кварк

Сучасна класифікація елементарних частинок незрівнянно склад­ніша, ніж у 1970-ті; нові відкриття часом змушують переглядати, здавалося б, щойно усталені теорії. «Це кращі часи й гірші часи», — словами Діккенса говорить про проникнення в таємниці мікро­світу першовідкривач важких довгоіснуючих частинок Бертон Ріхтер, який сьогодні відзначає 80-літній ювілей.

Він міг не стати фізиком — довгі роки його яскрава любов до цієї науки боролася з не менш сильним захопленням хімією. Син робітника-текстильника, Бертон Ріхтер змалку ставив усіл­які досліди, перетворивши підвал рідного дому на лабораторію. Хімічна й фізична спеціалізації йшли пліч-о-пліч і в середній школі, і в Массачусетському технологічному інституті, куди юнак вступив у 1948-му. І тільки на другому курсі майбутній нобелівський лауреат зробив свій важкий вибір — після того, як один із професорів, Френсіс Фрідмен, відкрив йому очі на «красу фізики».

Першою сферою наукових інтересів Ріхтера став магнетизм: студентом він захопився поведінкою системи «електрон-позитрон» у магнітному полі. Захистивши диплом із впливу магнітних полів на енергетичні рівні атома водню, залишився в рідній лабораторії магнетизму як аспірант із завданням, яке було б до снаги алхімікам, — одержати короткоіснуючі ізотопи ртуті шляхом бомбардування атомів золота високо­­­енергетичними ядрами важкого водню. Однак досить швидко молодий співробітник зрозумів, що мета дослідження — перетворення металів — цікавить його набагато менше, ніж засіб — прискорені заряджені частинки. Джерелом ядер дейтерію був циклотрон, який розганяв їх до високоенергетичного стану. Принцип дії цього прискорювача й перспективи його застосування в більш фундаментальних дослідженнях захопили Ріхтера настільки, що він із радістю перервав свої планові дослідження заради піврічного стажування в Нью-Йорку, де в Брукхейвенській національній лабораторії працював знаменитий космотрон — один із найпотужніших на той час прискорювачів. Після повернення вчений усе-таки завершив свою основну роботу, однак до цього встиг зробити декілька оригінальних досліджень на інститутському прискорювачі, аналогічному космотрону, але менш потужному.

Після захисту дисертації Ріхтер перейшов у Стенфордський університет і з головою поринув у квантову електродинаміку. Експерименти вченого показали, що напрацьована на той час теорія коректно описує електромагнітні сили, які діють на заряджені частинки на дуже малих відстанях — до однієї десятимільйонної частки сантиметра. А через кілька років, у 1965-му, група принстонського фізика Джералда О’Ніла (шанувальникам фантастики він відомий як автор книг із колонізації космосу) на надпо­­тужному, у 700 МеВ, прискорювачі довела правильність висновків Ріхтера на ще вдесятеро менших відстанях.

Головне творіння Ріхтера­ — SLAC, Стенфордський лінійний прискорювач. В установці О’Ніла для одержання зустрічних зіткнень частинки оберталися круговими орбітами усередині двох з’єднаних «бубликів» — тороїдальних вакуумних камер і зіштовхувалися на загальній ділянці «вісімки». SLAC же дозволяв накопичувати одночасно електрони й позитрони; під дією електромагнітного поля протилежно заряджені частинки оберталися усередині кожного кільця в різні боки, у результаті чого на загальній ділянці установки за кожний оберт відбувалося вдвічі більше зіткнень.

Стенфордське позитрон-електронне накопичувальне кільце дозволило досягти фантастичних енергій зіткнення — до 8 ГеВ. Саме на базі цього прискорювача в 1974 році Ріхтер із колегами почав знамениті експерименти з виявлення впливу енергії зіткнення на інтенсивність народження адронів — часток, відповідальних за притягання протонів і нейтронів усередині атомно­го ядра. Схема експерименту була проста: на прискорювачі виставлялася певна енергія зіткнень, фіксувався «вихід» адронів; потім енергія нарощувалася на невелике число й виміри повторювалися — аж до одержання кривої. Самі автори не чекали від експерименту чогось незвичайного, скоріше, планували підтвердити теоретичні викладення. Залежність дійсно вийшла прогнозована — гладка; аж раптом за енергії, що відповідає триразовій масі протона, на графіку казна-звідки взявся пік. Спочатку його вважали за результат технічних перешкод, спробували усунути за допомогою більш плавного нарощування енергії, але частки невпинно утворювалися в «аномальних» кількостях. Через півроку вчені, перевіривши себе сотні разів, оголосили світу про відкриття нового виду адронів. Дивовижно, що через день про відкриття цієї ж самої частки відрапортувала група Семюела Тінга з альма-матер Ріхтера, Массачусетського технологічного інституту, що працювала незалежно й використовувала іншу експериментальну установку. Тож Нобелівську премію з фізики 1976 року «за новаторські роботи з відкриття важкої елементарної частки нового типу» Ріхтер і Тінг закономірно одержували разом.

Нова частка дістала від­разу два імені: ψ від Ріхтера (він пояснив свій вибір тим, що всі інші грецькі букви були вже зайняті) і J від Тінга і сьогодні відома як J/ψ-мезон. Її унікальність полягала в довгожительстві (за мірками світу елементарних часток, звичайно): реальний час життя перевищував теоретично очікуваний у 10 тисяч разів. Властивості всіх відкритих на той час адронів добре пояснювалися поєднанням у них трьох типів кварків; J/ψ-частка вимагала залучення четвертої складової — її назвали красивим ім’ям «зачарований кварк». Саме необхідністю позбутися­ від додаткової властивості й пояснюється незвичайна живучість частки, що розпадається до більш легких повільніше за своїх побратимів.

Час показав, що J/ψ-мезон — лише перший у великій родині «зачарованих часток»; деякі з них були відкриті в наступні роки Ріхтером, інші — послідовниками. А свій внесок у цей процес вчений охарактеризував ще в нобелівській лекції: «Це багаторічна історія любові… до електрона. Як і більшість таких історій, вона знала періоди горіння й охолодження. Але для мене радість незмінно переважувала розчарування».