«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.
Оуэн Чемберлен и Эмилио Сегре, получившие Нобелевскую премию за открытие антипротонов, 1959
В 1954 году «Беватрон» заработал, и в 1955 году были зарегистрированы первые антипротоны, а вскоре и антинейтроны. Это оказалось непросто, потому что антипротоны встречаются редко и их количество серьезно перевешивается производимыми легкими частицами, например множеством электронов, позитронов и пионов. Антинейтрон обнаружила другая группа ученых, которую возглавлял Оресте Пиччионе. Это произошло в 1957 году.
Вообще объявлялся конкурс на работу на «Беватроне», и первой ее выиграла команда, в которую входили Чемберлен и Сегре, а второй к работе была допущена команда Пиччионе, которая также участвовала в конкурсе. Комиссия долго обсуждала, кого допустить первыми. Пиччионе представил несколько интересных идей по улавливанию антипротона, но в целом комиссия посчитала, что Чемберлен и Сегре представили более интересный набор предложений и идей, и поэтому их допустили первыми, а Пиччионе – вторым.
Так что через тридцать лет после предсказания Дирака существование базовых частиц антимира было доказано экспериментально. И это стало началом расхождений по вопросам антиматерии и судебных тяжб. Комиссия допустила Чемберлена с Сегре первыми, и именно они получили Нобелевскую премию по физике. Но антинейтрон открыл Оресте Пиччионе, работавший после них. Он не считал, что антинейтрон заслуживает отдельной Нобелевской премии (говоря про антинейтрон в этой связи, его называли «глазурью на торте»), но полагал, что его должны были включить в состав лауреатов премии за антипротон, так как Чемберлен и Сегре, по его мнению, использовали ряд его идей. И это послужило причиной начала судебной тяжбы. Ряд ученых утверждали, что все дело тут в удаче – Чемберлену и Сегре позволили работать первыми, поэтому они и стали первооткрывателями антипротона. Вообще научное сообщество в этом вопросе разделилось. Кто-то считал, что Пиччионе следовало включать в состав лауреатов, другие считали, что не следовало давать Нобелевскую премию и Чемберлену с Сегре, а ее заслужили проектировщики «Беватрона» или, по крайней мере, они должны были быть включены в состав лауреатов. Но с требованием компенсации за исключение из состава номинантов Пиччионе обратился только в 1972 году, через тринадцать лет после присуждения премии. Суд посчитал, что прошел слишком большой срок, и отказался удовлетворить иск.
Мы никогда не узнаем, каких успехов Пиччионе мог бы добиться, если бы он был первым. Ведь он мог бы и не открыть антипротон! История не знает сослагательного наклонения. Бурно обсуждавшее этот вопрос научное сообщество на какое-то время утратило любопытство к античастицам. Но интерес опять появился после открытия еще более глубокого слоя материи, кварков, и антиматерии, антикварков, что в конце концов приведет к объяснению того, как материя появилась в результате Большого взрыва.
Кварки и антикварки
Когда Дирак выступил с предположением о существовании антиматерии, он знал только электрон и протон. Даже после открытия нейтрона (которое произошло в тот же год, что и открытие позитрона, о котором говорил Дирак), «меню» частиц все равно оставалось небогатым. Однако в течение тридцати лет было открыто столько частиц в космических лучах и в новых ускорителях частиц, что кажется, если бы Дирак выступил со своим предположением тридцать лет спустя, на него мало кто обратил бы внимание. Еще одна частица? Ну и что?
Ускоритель в Беркли, о котором мы только что рассказали, разработанный для производства антипротонов, также добавил и другие новые частицы в «меню». Все эти новые частицы были нестабильными, некоторые жили не дольше, чем лучу света требуется для того, чтобы пересечь атомное ядро. По сути это – сказать, что частица умирает в момент ее создания. Поскольку теория относительности Эйнштейна подразумевает, что информация не может путешествовать быстрее скорости света, частице требуется какое-то мгновение на то, чтобы сформироваться, а потом распасться на более мелкие части. Другие обнаруженные частицы жили дольше, но и в этом случае мы имеем в виду менее одной миллиардной доли секунды или примерно то время, которое свету требуется, чтобы пройти по вашей ладони. Вы можете задуматься: а как кто-то вообще смог узнать о чем-то таком эфемерном? Ответ заключается в мощи современной электроники и в том факте, что, когда эти частицы путешествуют на скоростях, близких к скорости света, они могут преодолевать измеримые расстояния в период своей короткой жизни.
Любая частица, имеющая электрический заряд, может выбивать электроны из атомов в воздух, когда в них врезается. Если воздух влажный, то после прохождения частицы образуется след из паров. Камера Вильсона революционизировала понимание атомных частиц, включая открытие позитрона в первой половине ХХ века. Но изобретение более мощных инструментов сделало ее музейным экспонатом во второй половине ХХ века.
Американский физик и нейробиолог Дональд Артур Глейзер (1926–2013), сын еврейских иммигрантов из России, наблюдал за пузырьками в кружке пива. И это наблюдение в 1952 году, когда он работал в Мичиганском университете, привело к изобретению им пузырьковой камеры для регистрации заряженных частиц, за которую он в 1960 году был удостоен Нобелевской премии по физике. В дальнейшем Глейзер работал в Калифорнийском университете в Беркли, где изобрели «Беватрон», на котором он лично проводил эксперименты. До пузырьковой камеры Глейзер сконструировал множество улучшенных камер Вильсона и искровых камер, разработал несколько типов пузырьковых камер для экспериментов в области высоких энергий и сам экспериментировал на них.
Пузырьковая камера очень быстро стала поразительным средством для открытия танца субатомных частиц. В камере Вильсона частицы формировали пузырьки жидкости в окружающем газе, а в пузырьковой камере они формировали пузырьки газа в жидкости. И образы пузырьковых следов – спиралей в магнитном поле, которые дробятся при распаде частиц, производя «потомство», будто родители, передающие свои гены, стали удивительными произведениями искусства и открытием невероятных истин для тех, кто научился эти следы расшифровывать.
К протону и нейтрону вскоре присоединились частицы, которые во многом казались более тяжелыми их версиями, но со свойствами, благодаря которым их назвали «странными частицами». Некоторые являются более странными, чем другие. Еще были частицы, не имеющие того особого характера, который позволил бы называть их «странными», но они были своеобразными, они волновали и дразнили ученых. Им стали давать имена, используя греческие буквы и обозначения этих букв в греческом языке. Так, например, появились лямбда (Λ), омега (Ω), сигма (Σ), дельта (Δ) и другие. Когда греческого алфавита не стало хватать, перешли на латинский.
По мере появления все большего количества частиц постепенно у некоторых из них начали выделять общие черты – значит, все они не являются независимыми, а принадлежат к нескольким семьям. Происходящее напоминало то, что произошло с элементами атома в предыдущем столетии. Менделеев обратил внимание на регулярность среди элементов, на основании чего построил свою периодическую систему элементов. В дальнейшем было найдено объяснение этой периодичности: атомы состоят из нескольких общих составляющих, электроны вращаются вокруг ядра из протонов и нейтронов. Доказательство того, что атомы на самом деле состоят из более мелких частей, впервые было получено Джозефом Джоном Томсоном, когда он высвободил из них электроны, о чем мы рассказывали выше, а потом Эрнестом Резерфордом, открывшим существование атомного ядра. Все шло подобным образом и с множеством других частиц, которые живут очень недолго, в духе «атомного дела», хотя имелись отличия в деталях.