Физика

Нобелевские лауреаты: Бертон Рихтер

Очарованная премия

Нобелевский лауреат 1976 года по физике Бертон Рихтер

SLAC National Accelerator Laboratory

О тонкостях названий элементарных частиц, об очарованном кварке и о самом странном и совершенно непредсказуемом событии в физике элементарных частиц за долгие годы рассказывает наш очередной выпуск рубрики «Как получить Нобелевку».

Бертон Рихтер

Родился: 22 марта 1931 года, Бруклин, Нью-Йорк, США.

Умер: 18 июля 2018 года, Стэнфорд, Калифорния, США.

Нобелевская премия по физике 1976 года (1/2 премии, совместно с Самюэлем Тингом). Формулировка Нобелевского комитета: «За основополагающий вклад в открытие тяжелой элементарной частицы нового типа (for their pioneering work in the discovery of a heavy elementary particle of a new kind)».

Cвою автобиографию, написанную для сайта Нобелевской премии, наш герой ведет с поступления в знаменитый MIT. Однако в 2008 году сын рабочего-текстильщика Абрахама Рихтера и Фанни (в девичестве Поллак) Рихтер дал интервью нашему знакомому, научному консультанту Нобелевского комитета и сайта Нобелевской премии, Адаму Смиту. В нем он признался, что интерес к науке у него был с детства. «Мне всегда хотелось понять, как работает Вселенная», — говорил он в возрасте 77 лет. И, надо сказать, немало в этом преуспел.

Еще в детстве Бертон устроил дома лабораторию, но далеко не сразу отдал свое сердце конкретной науке. Только в Массачусетсе один из профессоров, Фрэнсис Фридмен, помог юноше сделать свой выбор между химией и физикой.

Уже студентом Бертон определился, с чем ему нравится работать — с элементарными частицами. В своей самой первой научной работе, выполненной под руководством Френсиса Биттера в качестве аспиранта (в 1952 году Рихтер стал аспирантом), стало получение короткоживущего изотопа ртути с помощью бомбардировки атомов золота высокоэнергетическими ядрами дейтерия (тяжелого водорода). Работа выполнялась на ускорителе частиц, синхротроне. Так Бертон начал работать с ускорителями, чем занимался в итоге всю свою долгую жизнь.

В 1959 году Рихтер — доктор философии, и с того времени он начал фокусироваться на квантовой электродинамике. Годом позже он становится профессором в Стэнфорде, а еще через три года переходит работать на коллайдер. Не тот, который Большой и адронный, его еще нескоро построят, а на SLAC — Стэнфордский центр линейных ускорителей. В 1966 году, через четыре года после учреждения самой организации, по проекту Рихтера там построят SPEAR, Stanford Positron Electron Asymmetric Rings, кольцевой электрон-позитронный коллайдер, который проработает в научной своей ипостаси до 1990 года и даст миру три Нобелевские премии. Помимо той, о которой мы еще расскажем, именно на нем были выполнены работы по открытию кварковой, внутренней, структуры протонов и нейтронов (премия 1990 года — к слову, сами работы выполнены задолго до «рихтеровского» открытия ) и открытию тау-лептона, «тяжелого» аналога электрона (премия 1995 года).

Схема SPEAR

Нобелевская лекция Рихтера

На ускорителе, о котором мы только что рассказали, происходило следующее: столкновение разогнанных до огромных скоростей электронов и позитронов. Они аннигилировали, а в месте столкновения рождались новые частицы.

В 1974 году Рихтер с коллегами проводил, в общем, рутинную работу. Вот как пишет об этом Нобелевский комитет:

«Оборудование Рихтера представляет собой своего рода карусель (накопительное кольцо), где поток электронов и поток позитронов вращаются в противоположных направлениях с очень высокими скоростями, которые могут быть точно отрегулированы. В лобовых столкновениях вся энергия электрона и сталкивающегося позитрона может в принципе дать начало неподвижной очень тяжелой частице, которая, как ожидается, превратится в несколько других частиц путем распада в очень короткий промежуток времени. Не было предсказано, что нечто подобное может произойти иначе, чем при более низких энергиях, где существуют известные более легкие элементарные частицы. Поэтому исследовательская программа сосредоточилась на том, чтобы проследить в специально построенном магнитном детекторе очень интересную и значительную линию, начатую во Фраскати, Италия, и продолженную в Кембридже, США. Открытие новой частицы было неожиданным и драматичным, хотя ему предшествовали годы планирования и подготовки. Скорость при лобовых столкновениях может быть скорректирована до более чем тысячи различных значений».

То есть Рихтер с коллегами методично и планомерно сталкивали позитроны и электроны, а затем считали получившиеся после столкновения адроны. Потом немного повышали энергию — и снова, все сначала. Плавное повышение энергии приводило к плавному росту количества энергии, и вдруг…

Где-то около 10 ноября 1974 года команда Рихтера установила правильную скорость и обнаружила резкий, резонансный рост количества частиц. Более того, судя по всему, родившаяся частица жила в тысячу раз дольше, чем предсказано. Рихтер дал «своей» частице название ψ-мезон. Он потом говорил, что это «единственная греческая буква, еще не занятая в физике элементарных частиц», но надо помнить, что psi начинается с букв S и P, с которых начинается название коллайдера, на котором работал Рихтер. Буквально несколькими днями позже о независимом открытии этой же частицы сообщила группа Сэмюэла Тинга из Брукхейвенской лаборатории. Тинг предложил назвать ее J-мезоном (злые языки говорят, что буква J напоминает 丁 — китайский иероглиф, составляющий фамилию Тинга). Важно другое: менее чем через два года за открытие этой частицы и Рихтер, и Тинг получили Нобелевскую премию по физике. Это ОЧЕНЬ быстро по меркам Нобелевского комитета, особенно в последние десятилетия — мы знаем буквально несколько таких примеров. Так почему же J/ψ-мезон, в отличие от других «элементарных» частиц, удостоился Нобелевской премии (мы же помним возмущение Фейнмана, который предлагал запретить давать премии за открытие новой частицы)?

Дело в том, что это было не совсем открытие «еще одного мезона». И не зря сам Бертон Рихтер в своей Нобелевской лекции «От пси частиц к очарованию — эксперименты 1975 и 1976 годов» говорит, что сообщение об открытии J/ψ-мезона «взорвало сообщество физиков, занимающихся элементарными частицами». Более того, «ничего более странного и совершенно непредсказуемого не случалось в физике элементарных частиц за долгие годы».

Давайте вспомним еще одного нобелевского лауреата, о котором мне пришлось писать внеочередной текст в связи с его смертью.

Вундеркинд, гений Марри Гелл-Манн в 1964 году предложил вместе с Джорджем Цвейгом знаменитую кварковую теорию строения элементарных частиц. Оказалось, протоны и нейтроны (как и прочие каоны-гипероны-мезоны и другие тяжелые частицы) состоят из кварков. Термин «кварк» предложил Гелл-Манн, Цвейг предложил термин «тузы» (подробно про этимологию слова мы писали в статье о Гелл-Манне), но поскольку физики сочли, что кварков всего три, — кварки остались, а «тузы», коих известно четыре, сошли со сцены.

В конце 1960-х годов исследователи получили реальные подтверждения существования внутренней структуры протонов и нейтронов (на том же ускорителе SPEAR), но к началу 1970-х стали подозревать, что к истине был ближе все-таки Цвейг и что как минимум четвертый кварк должен существовать в природе. Помимо «верхнего», «нижнего» и «странного» кварка (u, d, s-кварки), должен существовать и «очарованный» кварк (с-кварк). И вот по всему выходило, что J/ψ-мезон состоит из очарованного кварка и очарованного антикварка (сейчас это называется состояние чармония). Так был открыт четвертый кварк, а Рихтер и Тинг получили заслуженную награду. Ну а физика получила четвертый кварк [сейчас мы знаем, что кварков всего шесть, еще существуют прелестный (b) и истинный (t) кварки]. Но это уже совсем другая история.