Очарованный кварк
Современная классификация элементарных частиц несравненно более сложна, чем в 1970-е; новые открытия порой заставляют пересматривать, казалось бы, только что устоявшиеся теории. «Это лучшие времена и худшие времена», — словами Диккенса говорит о проникновении в тайны микромира первооткрыватель тяжелых долгоживущих частиц Бертон Рихтер, сегодня отмечающий 80-летний юбилей.
Он мог не стать физиком – долгие годы его яркая любовь к этой науке боролась с не менее сильным увлечением химией. Сын рабочего-текстильщика, Бертон Рихтер с малых лет ставил всевозможные опыты, превратив подвал родительского дома в лабораторию. Химическая и физическая специализации шли рука об руку и в средней школе, и в Массачусетсском технологическом институте, куда юноша поступил в 1948-м. И только на втором курсе будущий нобелевский лауреат сделал свой трудный выбор – после того, как один из профессоров, Фрэнсис Фридмэн, открыл ему глаза на «красоту физики».
Первой областью научных интересов Рихтера стал магнетизм: студентом он увлекся поведением системы «электрон—позитрон» в магнитном поле. Защитив диплом по влиянию магнитных полей на энергетические уровни атома водорода, остался в родной лаборатории магнетизма в качестве аспиранта с заданием под стать алхимикам – получить короткоживущие изотопы ртути путем бомбардировки атомов золота высокоэнергетическими ядрами тяжелого водорода. Однако довольно быстро молодой сотрудник понял, что цель исследования – превращение металлов – интересует его гораздо меньше, чем средство – ускоренные заряженные частицы. Источником ядер дейтерия служил циклотрон, разгонявший их до высокоэнергетического состояния. Принцип действия этого ускорителя и перспективы его применения в более фундаментальных исследованиях захватили Рихтера настолько, что он с радостью прервал свои плановые изыскания ради полугодовой стажировки в Нью-Йорке, где в Брукхейвенской национальной лаборатории работал знаменитый космотрон – один из самых мощных на тот момент ускорителей. По возвращении ученый все-таки довел до ума свою основную работу, однако до этого успел провести ряд оригинальных исследований на институтском ускорителе, аналогичном космотрону, но менее мощном.
После защиты диссертации Рихтер перешел в Стэнфордский университет и с головой погрузился в квантовую электродинамику. Эксперименты ученого показали, что наработанная на тот момент теория корректно описывает электромагнитные силы, действующие на заряженные частицы на крайне малых расстояниях – до одной десятимиллионной доли сантиметра. А через несколько лет, в 1965 году, группа принстонского физика Джеральда О’Нила (поклонникам фантастики он известен как автор книг по колонизации космоса) на сверхмощном, в 700 МэВ, ускорителе доказала правильность выводов Рихтера на еще вдесятеро меньших расстояниях.
Главное детище Рихтера – SLAC, стэнфордский линейный ускоритель. В установке О’Нила для получения встречных столкновений частицы вращались по круговым орбитам внутри двух соединенных «бубликов» — тороидальных вакуумных камер и сталкивались на общем участке «восьмерки». SLAC же позволял накапливать одновременно электроны и позитроны; под действием электромагнитного поля противоположно заряженные частицы вращались внутри каждого кольца в разные стороны, в результате чего на общем участке установки за каждый оборот происходило вдвое больше столкновений.
Стэнфордское позитрон-электронное накопительное кольцо позволило достичь фантастических энергий столкновения – до 8 ГэВ. Именно на базе этого ускорителя в 1974 году Рихтер с коллегами начал знаменитые эксперименты по выявлению влияния энергии столкновения на интенсивность рождения адронов – частиц, ответственных за притяжение протонов и нейтронов внутри атомного ядра. Схема эксперимента была проста: на ускорителе выставлялась определенная энергия столкновений, фиксировался «выход» адронов; после энергия наращивалась на небольшое число и замеры повторялись – вплоть до получения кривой. Сами авторы не ждали от эксперимента чего-то необычного, скорее, планировали подтвердить имевшиеся теоретические выкладки. Зависимость действительно получилась прогнозируемая — гладкая; как вдруг при энергии, соответствующей троекратной массе протона, на графике невесть откуда взялся выраженный пик. Его сочли результатом технических помех, попытались устранить с помощью более плавного наращивания энергии, но частицы продолжали образовываться в «аномальных» количествах. Через полгода ученые, перепроверив себя сотни раз, объявили миру об открытии нового вида адронов. Поразительно, что через день об открытии этой же самой частицы отрапортовала группа Сэмюэла Тинга из альма-матер Рихтера, Массачусетсского технологического института, работавшая совершенно независимо и использовавшая иную экспериментальную установку. Так что Нобелевскую премию по физике 1976 года «за новаторские работы по открытию тяжелой элементарной частицы нового типа» Рихтер и Тинг закономерно получали вместе.
Новая частица получила сразу два имени: ψ от Рихтера (он объяснил свой выбор тем, что все другие греческие буквы были уже заняты) и J от Тинга и сегодня известна как J/ψ-мезон. Ее уникальность состояла в долгожительстве (по меркам мира элементарных частиц, конечно): реальное время жизни превышало теоретически ожидаемое в 10 тысяч раз. Свойства всех открытых на тот момент адронов хорошо объяснялись сочетанием в них трех типов кварков; J/ψ-частица потребовала привлечения четвертой составляющей — ей было дано красивое имя «очарованный кварк». Именно необходимостью избавиться от дополнительного свойства и объясняется необычная живучесть частицы, которая распадается до более легких труднее своих собратьев.
Время показало, что J/ψ-мезон – лишь первый в большой семье «очарованных частиц»; некоторые ее члены были открыты в следующие годы Рихтером, другие – последователями. А свой вклад в этот процесс он охарактеризовал еще в нобелевской лекции: «Это многолетняя история любви… к электрону. Как и большинство подобных историй, она знала периоды горения и охлаждения. Но для меня радости неизменно перевешивали разочарования».
