Достучаться до небес. Научный взгляд на устройство Вселенной - Лиза Рэндалл

Открытие ядра — другой составной части атома — было еще более удивительным событием. Эрнест Резерфорд и его студенты обнаружили ядро в ходе опытов, аналогичных сегодняшним экспериментам с элементарными частицами. Они обстреливали ядрами гелия (которые тогда называли альфа–частицами, потому что о существовании у атомов ядер еще ничего не было известно) тонкую золотую фольгу. Энергия альфа–частиц оказалась достаточной, чтобы Резерфорд смог выявить некие структуры внутри ядра. Он обнаружил, что альфа–частицы, которыми они обстреливали фольгу, иногда отклонялись на значительно больший угол, чем рассчитывали ученые (рис. 20). Они ожидали, что частицы будут равномерно рассеиваться, а вместо этого обнаружили, что некоторые из них отлетают от фольги, будто рикошетят от заключенных внутри тяжелых шариков. Сам Резерфорд описывал это так:

РИС. 20. В эксперименте Резерфорда альфа–частицы (которые, как нам сегодня известно, представляют собой ядра гелия) рассеиваются на золотой фольге. Неожиданно большой угол отражения некоторых альфа–частиц продемонстрировал существование в центре атома концентрированной массы — атомного ядра

«Это было самое невероятное событие из всех, с какими я сталкивался в жизни. Это было почти столь же невероятно, как если бы вы стреляли 15–дюймовым снарядом по листу папиросной бумаги, а снаряд отскочил бы и попал рикошетом в вас самих. После, как следует поразмыслив, я пришел к выводу, что такое отражение должно быть результатом одного–единственного столкновения; я провел расчеты и убедился, что невозможно получить реакцию такой силы, если не взять систему, в которой большая часть массы атома сконцентрирована в крохотном ядре. Именно тогда у меня появилась мысль об атоме с маленьким массивным центром, несущим электрический заряд».

При экспериментальном обнаружении кварков внутри протонов и нейтронов также использовались методы, во многом аналогичные методам Резерфорда, но энергии для этого потребовались намного большие, чем были у его альфа–частиц. Требовался ускоритель частиц. Он должен был придавать электронам — и излучаемым ими фотонам — достаточно высокие энергии.

Первый кольцевой ускоритель элементарных частиц получил название циклотрон, поскольку частицы в нем, ускоряясь, двигались по окружности. Первый циклотрон построил в 1932 г. Эрнест Лоуренс в Университете Калифорнии. Это был очень маленький (около 30 см в диаметре) и слабый по современным стандартам циклотрон. Энергии, которые он позволял получать, даже близко не подходили к уровню, необходимому для обнаружения кварков. Это знаменательное открытие стало возможным лишь после многочисленных усовершенствований конструкции ускорителей; в ходе которых, кстати говоря, было сделано несколько важных открытий.

Задолго до того, как появилась возможность исследовать кварки и внутреннюю структуру атомного ядра, в 1959 г., Эмилио Сегре и Оуэн Чемберлен получили Нобелевскую премию за открытие антипротона (в 1955 г. на бэватроне Лаборатории имени Лоуренса в Беркли). Бэватрон — ускоритель более сложный, чем циклотрон — уже мог доводить энергию протонов до уровня, соответствующего шестикратной массе покоя; этого более чем достаточно для создания пар «протон — антипротон». Протонным пучком на бэватроне бомбардировали различные мишени и (согласно все той же волшебной формуле Е = mc2) получили невиданные прежде разновидности вещества, в том числе антипротоны и антинейтроны.

Вообще, антивещество играет в физике элементарных частиц очень существенную роль, поэтому давайте отвлечемся ненадолго и поговорим об этом замечательном явлении — своеобразном двойнике того вещества, которое мы наблюдаем вокруг. Поскольку заряд любой частицы и соответствующей ей античастицы в сумме дает нуль, вещество при встрече с антивеществом может аннигилировать, то есть взаимно уничтожаться. К примеру, антипротон — одна из форм антивещества — может сливаться с протоном с образованием чистой энергии согласно формуле Эйнштейна Е = mc2.

Британский физик Поль Дирак «открыл» антивещество математически в 1927 г. при попытке отыскать уравнение, которое описывало бы электрон. Единственное уравнение, соответствующее всем известным принципам симметрии, которое ему удалось записать, подразумевало существование частицы с той же массой, что у электрона, но с противоположным зарядом, — частицы, которой до того момента никто никогда не видел.

Дирак в конце концов капитулировал перед уравнением и признал, что эта загадочная частица должна существовать. Американский физик Карл Андерсон открыл позитрон в 1932 г., подтвердив тем самым утверждение Дирака, который сказал как‑то, что «уравнение оказалось умнее меня». Антипротоны — частицы гораздо более тяжелые — были открыты на 20 с лишним лет позже.

Открытие антипротона было важно еще и потому (помимо доказательства существования самой частицы), что наглядно продемонстрировало симметрию вещества и антивещества в природе, которая играет в физическом устройстве нашей Вселенной принципиальную роль. Однако мир наш состоит из вещества, а не из антивещества, и большая часть массы обычного вещества заключена в протонах и нейтронах, а не в соответствующих им античастицах. Для существования нашего человеческого мира — такого, каким мы его знаем, — в количестве вещества и антивещества необходима асимметрия, однако пока нам неизвестно, каким образом она возникла.

С 1967 по 1973 г. Джером Фридман, Генри Кендалл и Ричард Тейлор провели серию экспериментов, которые помогли установить существование кварков внутри протонов и нейтронов. Эксперименты проводились на линейном ускорителе, который, в отличие от прежних бэватронов и циклотронов, ускорял электроны на прямой траектории. Лаборатория в Пало–Альто получила название Стэнфордский линейный ускоритель, или сокращенно SLAC. Электроны, разогнанные на SLAC, начинали излучать фотоны. Эти энергичные — а значит, коротковолновые — фотоны взаимодействовали с кварками внутри атомных ядер. Фридман, Кендалл и Тейлор измерили, как меняется частота взаимодействий с ростом энергии столкновения. Если бы у частиц в атомном ядре не было внутренней структуры, эта частота падала бы. При наличии структуры частота тоже падала, но значительно медленнее. Как и в опыте Резерфорда, приведшем много лет назад к открытию атомного ядра, налетающие частицы (в данном случае фотоны) рассеивались иначе, чем это происходило бы, если бы протон представлял собой просто шарик без внутренней структуры.

Тем не менее даже в экспериментах, проводившихся на необходимом энергетическом уровне, распознать и классифицировать кварки оказалось непросто. Для этого и технологии, и теория должны были достичь такой стадии развития, на которой экспериментальные движения частиц можно было предсказать и понять. Глубокие эксперименты и теоретический анализ, проведенный физиками–теоретиками Джеймсом Бьеркеном и Ричардом Фейнманом, показали, что частота взаимодействий хорошо согласуется с предположением о существовании внутри атомного ядра некой структуры; таким образом было доказано наличие внутренних элементов протонов и нейтронов, то есть кварков. В 1990 г. за это открытие Фридман, Кендалл и Тейлор были удостоены Нобелевской премии.