«Фермилаб» – Национальная ускорительная лаборатория имени Энрико Ферми, США
В современной «квантовой теории поля» не только электромагнитная, но и все силы передаются бозонами. Считается, что то, что фотон делает для электромагнитной силы, то и «гравитон» делает для силы тяжести. Пока никто еще не обнаружил гравитон, но мало кто сомневается, что он существует и когда-нибудь будет открыт. Есть две другие силы, которые также передаются бозонами.
Эти силы менее широко известны, потому что в основном действуют в атомном ядре и вокруг него, их можно раскрыть только благодаря высокочувствительной аппаратуре, способной работать на таком уровне. Они известны как сильное взаимодействие и слабое взаимодействие, названия отражают их очевидную мощь относительно знакомой нам электромагнитной силы.
Схема ядерного синтеза
Сильное взаимодействие строит протоны и нейтроны из более мелких частей, известных как кварки (о них мы подробнее поговорим ниже), и склеивает вместе атомное ядро. Слабое взаимодействие заставляет Солнце светить и является очень важным для строительства элементов, без которых Земля и мы сами не можем существовать. Эта сила действует внутри атомных ядер, медленно съедая их изнутри и в конце концов трансформирует составляющие их части в более стабильные комбинации. Таким образом на Солнце, где протоны являются топливом, слабое взаимодействие постепенно превращает четыре из этих протонов в компактный кластер, который является ядром гелия, состоящим из двух протонов и двух нейтронов. Оперируя таким образом, слабое взаимодействие трансформирует два из протонов в нейтроны, их положительный электрический заряд забирают позитроны. За пять миллиардов лет примерно половина солнечного топлива, его протоны, изменилась таким образом. Это дает представление о том, насколько слаба эта сила при работе внутри солнечной печки, за что мы можем быть благодарны: Солнце живет достаточно долго, чтобы появились разумные существа, но при этом работает достаточно быстро для обеспечения условий, при которых жизнь вообще смогла появиться.
Сильные и слабые силы интересуют физиков уже более полувека – с тех самых пор, как их существование было признано. Сегодня мы понимаем, как они работают, и их секреты фактически раскрыло использование антиматерии. Они тоже передаются бозонами.
Глюоны – это то, что склеивает кварки друг с другом для построения протонов и нейтронов, а затем пионы помогают построить ядра атомов с использованием последних. Пионы также именуются пи-мезонами, это субатомные частицы, открытие в 1947 году. Слабое взаимодействие проявляется двумя определенными путями, и есть бозоны, которые его передают. Одно из проявлений подобно электромагнитной силе, но гораздо слабее, оно передается электрически нейтральным бозоном известным как Z0 (ноль обозначает отсутствие заряда). Этот Z0 подобен фотону, за исключением того, что очень массивен, массивнее даже атома железа. Для него даже придумали название – «тяжелый свет». Второй способ проявления слабого взаимодействия – это обмен участвующих частиц количествами электрического заряда. Например, при трансформации протона в нейтрон внутри Солнца слабая сила взяла электрический заряд у протона и передала его позитрону. А откуда появился этот позитрон? Он был создан из энергии, унесенной носителем слабой силы, известным, как W+. В данном случае плюс обозначает, что у W положительный электрический заряд. W также может существовать и с отрицательным зарядом, как при распаде нейтрона. В данном случае нулевой заряд нейтрона превратился в положительный (протон) и отрицательный (W—), отрицательный электрический заряд W — передается электрону.
Все эти агенты, которые передают силы, являются не-веществом, они и не материя, и не антиматерия, они – бозоны. Они воздействуют на частицы материи или антиматерии и сами могут превращаться в уравновешивающие части этих двух форм вещества, которые являются фермионами. Так что, похоже, природа обеспечила два варианта частиц: носители силы, которыми являются бозоны, и основные кирпичики вещества, которыми являются фермионы. Бозоны могут приходить и уходить; фермионы в конечном счете распадаются до своих самых стабильных форм, электронов и комбинаций протонов и нейтронов, на этом этапе риск для них представляют их вторые «Я» из антиматерии.
Сражение между материей и антиматерией во Вселенной шло четырнадцать миллиардов лет назад, победила материя. Фермионы порождают структуру, обладают стабильностью и ведут к жизни. Мы сформированы из атомов, которые существуют уже миллиарды лет, и только теперь они конфигурируются в соединения, которые думают, что они – это мы. Мы вдыхаем кислород, выдыхаем углекислый газ, растем и умираем, но наши атомы продолжат свое существование. Их базовые части снова соединятся или пересоединятся в бесконечном разнообразии в далеком будущем – пока (и если) не встретятся с антиматерией.
Другие античастицы
Дирак изначально написал свое уравнение, чтобы объяснить электрон. Однако оно подходит для всех фермионов и точно также подходит к протону или нейтрону. Уравнение подразумевало, что у электрона имеется версия с отрицательной энергией, и Дирак успешно это интерпретировал как положительно заряженный позитрон с положительной энергией. Точно так же уравнение подразумевало, что у протона и нейтрона есть двойники, или аналоги, в антиматерии – антипротон и антинейтрон. У антипротона такая же масса, как и у протона, но отрицательный заряд вместо положительного. Точно так же у антинейтрона такая же масса, как у нейтрона, и нулевой заряд. Поскольку заряд у антинейтрона такой же, как у нейтрона, каким свойством они различаются?..
Хотя у нейтрона в целом нет электрического заряда, внутри у него заряд содержится. Как мы увидим, и у протона, и у нейтрона есть небольшой участок, в котором можно провести измерения. Внутри него кружатся электрические заряды, положительные и отрицательные, которые при сложении дают то целое, которое мы называем зарядом протона или нейтрона. Хотя в целом заряды нейтрона складываются в ноль, их движения производят кружащиеся электрические токи и магнетизм, что можно почувствовать, наблюдая, как нейтрон движется в магнитном поле. Внутри антинейтрона эти отдельные электрические заряды имеют противоположный знак, а потоки внутри него являются зеркальным отображением потоков внутри нейтрона. В результате магнетизм – Северный и Южный полюса, если хотите, меняются местами. В магнитном поле пути нейтронов и антинейтронов являются зеркальными отображениями друг друга. Как мы увидим ниже, точки электрических зарядов, которые соединяются для формирования протонов и нейтронов, сами по себе являются маленькими частичками, известными как кварки. Протон или нейтрон состоит из кварков; а их двойники, или аналоги, состоят из антикварков.
После открытия позитрона в 1932 году встала задача подтвердить, существует ли также и другая часть атома антиводорода, антипротон. Проблема состояла в том, что протон почти в две тысячи раз тяжелее электрона. Так будет ли антипротон на столько же тяжелее позитрона? Это означает, что для его производства требуется гораздо большее энергии.
К 1950 году в космическом излучении открыли и другие новые частицы. Они включали мюон, который является более тяжелой версией электрона; уже упоминавшийся пион, который является бозоном и весит примерно одну седьмую часть протона. Также были частицы, известные как каон, которые назвали «странными» частицами, потому что они имеют неожиданно долгий срок жизни. Но антипротон не нашли. Общее мнение было таково, что антипротон существует – настолько физики были уверены в истинности утверждений Дирака. Амбициозный план появился в Калифорнийском университете в Беркли – там решили построить ускоритель, который будет ускорять протоны таким образом, что при ударе в цель появится достаточно энергии для производства антипротона. Задачей было построить машину и разработать средства для обнаружения и идентификации антипротона, причем так, чтобы не оставалось никаких сомнений.
«Беватрон» начали проектировать в конце 1940-х годов, в первую очередь для проведения экспериментов в области физики высоких энергий и элементарных частиц, в частности для экспериментального наблюдения антипротонов. Поскольку на момент проектирования жесткая фокусировка еще не была изобретена, ускоритель получился слабофокусирующим. Это означало большой размер пучка, а значит, огромную вакуумную камеру и гигантский размер магнитных элементов. Магнит «Беватрона», создающий ведущее поле, весил 10 000 тонн. Чтобы запитать магнит при подъеме энергии протонного пучка, использовался огромный мотор-генератор. После окончания очередного цикла, когда пучок был выпущен или сброшен, энергия из магнитного поля извлекалась обратно, раскручивая мотор. Выпущенный из «Беватрона» пучок протонов мог непосредственно использоваться в экспериментах, либо, после взаимодействия с мишенью, производить вторичные пучки других частиц, например нейтрино и пионов. Первичные или вторичные пучки использовались в разнообразных экспериментах для изучения физики элементарных частиц. Для отслеживания происходящего внутри машины использовались жидководородные пузырьковые камеры, в которых перегретый жидкий водород вскипал при прохождении одиночной частицы. Каждое такое событие фотографировалось на фотопленку, треки измеряли, а для обработки многих тысяч фотоснимков были разработаны специальные автоматы.