Открытие "очарования"

Первое событие, убедившее физиков в реальности "очарованных" частиц, было зарегистрировано с помощью пакета ядерных эмульсий, помещенного у окошка водородной пузырьковой камеры. "Очарование" - одна из характеристик кварков, субэлементарных частиц, из которых состоят частицы, которые ранее считались неделимыми.

Поисками фундаментальных "кирпичиков" вещества ученые занимались со времен Демокрита и Лукреция. В прошлом веке Дальтон полагал, что элементарными частицами являются атомы; Резерфорд и другие физики начала нынешнего столетия обнаружили к 1933 г. около полудюжины элементарных частиц; к 1950 г. их число выросло до двух десятков, к 1965 г. оно еще удвоилось, а сейчас их насчитывают более ста. По мере того как число элементарных частиц продолжало расти, ученые все более поддавались искушению свести это многообразие к более простой системе.

В 1961 г. Марри Гелл-Ман и Джордж Цвейг (а также независимо от них Ю. Нееман), используя методы теории групп, показали, что классификацию известных элементарных частиц можно значительно упростить, если рассматривать их как состоящие из более элементарных частиц, названных кварками (по имени фантастических существ из романа Дж. Джойса "Поминки по Финнегану"). Естественно, что такие субэлементарные частицы должны обладать дробным электрическим зарядом. Эта теория теперь предполагает существование кварков шести "ароматов" (верхний, нижний, странный, очарованный, красивый и истинный кварки), причем каждый аромат может сочетаться с одним из трех цветов: красным, зеленым и синим. Эти образные обозначения не имеют, разумеется, ничего общего с цветами и ароматами в их обыденном смысле, но физики предпочли присвоить кваркам такие характеристики, нежели просто пронумеровать их от 1 до 6 и дополнительно приписать им символы, скажем, х, у и z. Каждому кварку соответствует антикварк, так что полное число этих субэлементарных частиц равно 36.

Частицы, называемые лептонами (к ним относятся, в частности, такие легкие частицы, как электроны и нейтрино), которые не участвуют в сильных взаимодействиях, укладываются в новую схему элементарных частиц без изменений. Тяжелые же частицы, адроны, которые участвуют в сильных взаимодействиях, как предполагается, состоят из кварков: так, барионы (например, протоны и нейтроны) состоят из трех кварков, некоторые мезоны - из кварка и антикварка и т. д. Введение очарованного кварка потребовалось для описания еще более тяжелой J-частицы, открытой одновременно и независимо двумя группами экспериментаторов. Особенностью очарованной частицы является ее необыкновенная стабильность. Английский физик Денис Уилкинсон как-то заметил, что подобное поведение частицы столь же удивительно, как если бы "Клеопатра, упав за борт своей галеры в 35 г. до н. э., попала в воду только сейчас".

Октябрь 1977 г. ЦЕРН, Женева. Коллектив ученых из Турции, Бельгии, Швейцарии, Ирландии, Великобритании, ФРГ, Италии. Пакеты ядерной эмульсии; Большая европейская пузырьковая камера; протонный синхротрон 'Супер'; магнитное поле 35000 гаусс; широкоугольный объектив фирмы 'Цейс'. 'Агфа 39-D-65'. 1-3 мкс (продолжительность вспышки;). Д. Дэвис, Университетский колледж, Лондон. [8, 66, 205]

Медленный распад очарованных кварков давал основания надеяться, что их можно зарегистрировать традиционным способом, с помощью пакетов ядерных фотографических эмульсий. Эмульсии, обеспечивающие хорошее пространственное разрешение (хотя временное разрешение оставляет желать лучшего), в сочетании с пузырьковой камерой, создающей высокое временное разрешение, идеально удовлетворяют требованиям данного эксперимента. Подобное сочетание удобно и с чисто практической точки зрения. Ведь чтобы просмотреть 30 л ядерной эмульсии под микроскопом с разрешением в 2,5·10^-7 м, потребовалось бы, как грустно пошутил экспериментатор Дон Дэвис, 1500 человеко-лет. Треки же, зарегистрированные в пузырьковой камере, указывают, где именно в слое ядерной эмульсии следует искать интересующие следы.

Октябрь 1977 г. ЦЕРН, Женева. Коллектив ученых из Турции, Бельгии, Швейцарии, Ирландии, Великобритании, ФРГ, Италии. Пакеты ядерной эмульсии; Большая европейская пузырьковая камера; протонный синхротрон 'Супер'; магнитное поле 35000 гаусс; широкоугольный объектив фирмы 'Цейс'. 'Илфорд G5'; Д. Дэвис, Университетский колледж, Лондон. [8, 66, 205]

В этом историческом эксперименте протонный синхротрон "Супер" в ЦЕРНе создавал мощный пучок нейтрино с энергией 350 ГэВ, который направляли через слой ядерной эмульсии в Большую европейскую пузырьковую камеру, заполненную жидким водородом. На этот раз цель состояла не в обнаружении нейтральных токов (ср. Объединенные взаимодействия и нейтральные токи) - исследователей интересовали взаимодействия с участием нейтрино, в которых могли рождаться стабильные очарованные частицы. Из 169 нейтринных взаимодействий, обнаруженных в результате просмотра 206 тыс. фотографий, в восьми зарегистрированы очарованные частицы, но лишь однажды был несомненно зафиксирован очарованный барион. На снимке (справа), сделанном при свете ксеноновой вспышки, видны продукты распада очарованной частицы. Здесь показаны (слева направо): Р - протон, претерпевший упругое рассеяние в конце своей траектории, - положительно заряженный пион и К- - отрицательный К-мезон (каон).

Двигаясь затем в обратном направлении, исследователи (группа включала 41 представителя 9 организаций из 6 стран) обнаружили (снимок внизу) длинный, почти прямолинейный трек очарованной ламбда-частицы с положительным зарядом, начинающийся в точке ее возникновения ("звезда" слева) и обрывающийся в точке распада (трезубец справа). При ближайшем рассмотрении видно, что эта микрофотография составлена из большого числа вертикальных полосок, взятых из разных слоев ядерной эмульсии. Длина трека первого очарованного бариона, который удалось наблюдать, составляет 0,35 мм, а время распада равно 10^-12 с - по меркам ядерной физики это очень долгая жизнь!