100 великих научных открытий

Но еще с конца 1940-х ученые замечали, что космические лучи, встречаясь с земной атмосферой, порождают какие-то странные тяжелые частицы, готовые распасться даже при слабеньком столкновении. Частицы вели себя, по тогдашним понятиям, совершенно неадекватно, и объяснить это можно было лишь предположением, что в них содержится новый тип кварка. Поскольку частицы казались всем странными, и гипотетическая материя, сложенная из них, тоже была бы странной, кварки получили название strange (s

). Измерение заряда s-кварка показало, что он составляет треть протонного, и это натолкнуло ученых на мысль, что данный кварк тоже должен иметь партнера, заряженного на две трети.

Кроме того, уже был открыт мюон — близнец электрона, схожий с ним по величине заряда, но превосходящий в 207 раз по массе, и все знали, что у каждой частицы имеется личное нейтрино. Логично было предположить, что электрону и электронному нейтрино в атоме соответствует ядро из верхнего и нижнего кварков — все четыре частицы стабильны и составляют основу любой материи на планете. Тогда у нестойких мюона и мюонного нейтрино тоже должна быть своя кварковая пара, а значит, следует искать «брата» странного кварка. Первый шаг к его «поимке» сделали американцы Шелдон Глэшоу и Джеймс Бьоркен: в 1970 г. они предсказали существование очаровательного кварка (charmed

) и даже продемонстрировали, как этот самый кварк участвует в быстрых распадах странных тяжелых мезонов — каонов. (Раньше механизм этого процесса был ученым непонятен.) Странность и очарование, по терминологии квантовых физиков, означали одно и то же свойство кварков — выживание в условиях сильного взаимодействия и разрушение при взаимодействии слабом.

Увы, долгое время ученые не могли найти подтверждение существованию очаровательного кварка: он был слишком тяжелым, и оборудование лабораторий не справлялось с таким великаном. Если странный кварк весил как 0,1 протона, а верхний и нижний и того меньше, то очаровательный был тяжелее протона, следовательно, частицы с одним таким кварком достигали массы полутора протонов, а обладатели пары c-кварк/антикварк завешивали на три протона! Впрочем, с середины 1960-х благодаря новому мощному протонному синхротрону AGS

, запущенному в Нью-Йорке на острове Лонг-Айленд, исследователи получили возможность разгонять пучки протонов до огромных скоростей и воссоздавать разные массивные частицы. Вот тогда-то ускользавший c-кварк наконец-то проявил себя.

Правда, случилось это уже в 1974 г., когда американский профессор Сэмюэл Тинг (р. 1936) наблюдал за столкновениями в AGS

 протонов и ядер бериллия, влекущими рождение пар электронов и позитронов. Сначала Тинг разгонял исходные частицы до энергии свыше 3,5 ГэВ, но потом снизил обороты и заметил, что при разгоне примерно до 3 ГэВ образуется больше электрон-позитронных пар, чем обычно, а их общая энергия составляет 3,1 ГэВ. Это свидетельствовало о распаде неизвестной частицы, которая весит как три протона. Боясь ошибиться, Тинг еще полгода перепроверял полученные результаты, даже не подозревая, что в Стэнфордской лаборатории, на усовершенствованном ускорителе SLAC, полным ходом идут подобные эксперименты.

Правда, эти исследования носили обратный характер: если Тинг сталкивал протоны, чтобы получить позитроны и электроны, то стэнфордский физик Бертон Рихтер (1931–2018) заставлял сталкиваться электроны с позитронами, дабы отследить треки рожденных в результате адронов. Когда общая энергия разгона достигла 3,1 ГэВ, ученый увидел, что адроны стали образовываться живее, а затем нашел среди них каоны и сделал вывод: такие частицы могли появиться только после распада другой тяжелой частицы, внутри которой содержится очаровательный кварк. Далее энергия электронов и позитронов была доведена до 3,105 ГэВ, вследствие чего адроны стали плодиться в сто раз быстрее, чем раньше, и это позволило Рихтеру заключить: «родителями» каонов являются особые мезоны с массой 3,105 ГэВ — ученый назвал их пси-мезонами (ψ-мезон) и, не мешкая, сообщил о своем открытии всем ведущим физикам мира. А на следующий день в его лабораторию приехал Тинг.

Ученые не стали спорить, кому принадлежит первенство в открытии новой частицы (Тинг назвал ее джей-мезоном), и одновременно опубликовали свои доклады в авторитетном научном журнале, а через два года получили Нобелевскую премию — одну на двоих. Так и остался их мезон с двойным именем — джей/пси. А позже выяснилось, что в нем содержатся один очаровательный кварк и один такой же антикварк, степень очарования у них 1 и –1 соответственно, так что очарование самого мезона нулевое.