Rewolucja, która wstrząsnęła fizyką cząstek

Burton Richter ’52, PhD ’56, lubi opisywać swoje nagrodzone nagrodą Nobla odkrycie rymowanką:

Sam Ting ze swoim zespołem w Brookhaven National Laboratory w 1974 roku.

Wczoraj na schodach spotkałem mężczyznę, którego tam nie było. Dziś znowu go tam nie było. Chciałbym, żeby odszedł.

Był rok 1974, zaledwie dwa lata po tym, jak Richter i jego zespół w Stanford Linear Accelerator Laboratory zakończyli budowę nowego zderzacza cząstek, który nazwali SPEAR. Maszyna o wartości 6 milionów dolarów przyspieszała elektrony i pozytony przez pętlę magnesów o średnicy 80 metrów i rozbijała je razem w deszcz cząstek cząstek do analizy. Richter nie szukał nowej cząstki, ale ona tam była – wysoki, wąski szczyt w danych wskazujący na ciężką cząstkę o niezwykle długim okresie życia. Tak długo, w rzeczywistości – siedem zeptosekund, czyli około 7000 bilionowych sekundy – że zaprzeczało zrozumieniu przez fizyków cząstek elementarnych.

Na początku Richter i inni myśleli, że coś jest nie tak ze sprzętem, ale wkrótce zdali sobie sprawę, że mają na rękach odkrycie. Nikt nie spodziewał się tego, co znaleźliśmy. Nikt. To była kompletna niespodzianka, mówi Richter, który po raz pierwszy wciągnął się w fizykę cząstek elementarnych po pracy w laboratorium synchrotronowym MIT podczas pierwszego roku studiów podyplomowych.

Być może równie zaskakujące, że zespół po przeciwnej stronie kraju jednocześnie znalazł to samo. W Brookhaven National Laboratory profesor Sam Ting z MIT prowadził eksperyment, który był w pewnym sensie przeciwieństwem eksperymentu Richtera. Zamiast anihilować elektrony i pozytony, grupa Tinga rozbijała protony w nieruchomy cel berylowy, aby wytworzyć ciężkie cząstki, które następnie rozpadły się na elektrony i pozytony. Przypadkowo obie grupy ustawiły swoje akceleratory na ten sam zakres energii i natknęły się na ten sam niezwykły szczyt w swoich danych.

Ulrich Becker, ówczesny profesor nadzwyczajny na MIT, odegrał kluczową rolę w odkryciu Brookhaven. Teraz, emerytowany profesor, wciąż ma w swoim gabinecie oryginalny, ręcznie rysowany wykres, pokazujący ten nieoczekiwany szczyt. Becker mówi, że chociaż jego grupa miała nadzieję na znalezienie ciężkich cząstek, oni również byli zszokowani, gdy znaleźli taki o tak długim okresie życia. Nie mieliśmy pojęcia, dlaczego do diabła tak było, mówi. Byliśmy bardzo podejrzliwi, ale ponieważ było to tak jasne, że było bardzo mało miejsca na wątpliwości.

W listopadzie tego roku Ting poleciał do Stanford na spotkanie administracyjne i skrzyżował drogi z Richterem.

Sam powiedział: „Burt, mam ci coś ekscytującego do powiedzenia”, wspomina Richter, a ja powiedziałem: „Sam, mam coś ekscytującego do powiedzenia ty ”.

Kiedy obaj badacze zdali sobie sprawę, że ich zespoły dokonały tego samego odkrycia, zorganizowali seminarium laboratoryjne i tego dnia zaprezentowali swoje wyniki. W ciągu miesiąca grupy opublikowały kolejne artykuły w: Fizyczne listy kontrolne . Grupa Tinga nazwała nową cząstkę J, a grupa Richtera nazwała ją Ψ (psi).

Tym, co było tak zaskakujące w cząstce, było to, że trwała około tysiąc razy dłużej, niż przewidywali wówczas fizycy, co oznaczało, że było w niej coś, czego fizycy nigdy wcześniej nie spotkali, przynajmniej nie w laboratorium.

Około 10 lat wcześniej teoretycy wprowadzili koncepcję kwarków — cząstek podstawowych (i odpowiadających im antycząstek), które wiążą się ze sobą, tworząc inne cząstki, takie jak protony i neutrony. Do 1974 roku eksperymentatorzy znaleźli dowody na istnienie trzech typów kwarków — górnego, dolnego i dziwnego. Ale proponowany czwarty kwark, urok, pozostał nieuchwytny.

Na początku 1975 roku Becker wyjechał do Niemiec, aby wygłosić wykład na temat nowej cząstki. Obecny był Werner Heisenberg, fizyk teoretyczny słynący z pracy nad mechaniką kwantową. W pewnym momencie Heisenberg przerwał Beckerowi: Powiedział: „Kiedy nie wiedzą, co to jest, wynajdują nowy kwark” — wspomina Becker. Byłem naprawdę oszołomiony. Powiedziałem mu: „Słuchaj, profesorze Heisenberg, nie spieram się, czy to urok, czy nie. Mówię ci, że to cząstka, która nie znika. Martwa cisza. W pokoju zrobiło się bardzo zimno. Wtedy Heisenberg powiedział: „Zaakceptowano”.

Fizycy wkrótce zgodzili się, że cząstka, nazwana później J/Ψ, składała się z jednego kwarka powabnego i jednego kwarka antyczarnego.

Odkrycie J/Ψ, nazywane teraz rewolucją listopadową, przeniosło stabilność cząstek elementarnych z nieuporządkowanej menażerii do czegoś uporządkowanego i przewidywalnego, opisanego przez to, co fizycy nazywają Modelem Standardowym. Ting i Richter zdobyli Nagrody Nobla w 1976 roku.

Od tego czasu wiele osób próbowało znaleźć to, co wykracza poza obecny Model Standardowy, mówi Richter. Do tej pory był odporny na wszelkie ataki.

ukryć