Другие античастицы

Дирак изначально написал свое уравнение, чтобы объяснить электрон. Однако оно подходит для всех фермионов и точно также подходит к протону или нейтрону. Уравнение подразумевало, что у электрона имеется версия с отрицательной энергией, и Дирак успешно это интерпретировал как положительно заряженный позитрон с положительной энергией. Точно так же уравнение подразумевало, что у протона и нейтрона есть двойники, или аналоги, в антиматерии – антипротон и антинейтрон. У антипротона такая же масса, как и у протона, но отрицательный заряд вместо положительного. Точно так же у антинейтрона такая же масса, как у нейтрона, и нулевой заряд. Поскольку заряд у антинейтрона такой же, как у нейтрона, каким свойством они различаются?..

Хотя у нейтрона в целом нет электрического заряда, внутри у него заряд содержится. Как мы увидим, и у протона, и у нейтрона есть небольшой участок, в котором можно провести измерения. Внутри него кружатся электрические заряды, положительные и отрицательные, которые при сложении дают то целое, которое мы называем зарядом протона или нейтрона. Хотя в целом заряды нейтрона складываются в ноль, их движения производят кружащиеся электрические токи и магнетизм, что можно почувствовать, наблюдая, как нейтрон движется в магнитном поле. Внутри антинейтрона эти отдельные электрические заряды имеют противоположный знак, а потоки внутри него являются зеркальным отображением потоков внутри нейтрона. В результате магнетизм – Северный и Южный полюса, если хотите, меняются местами. В магнитном поле пути нейтронов и антинейтронов являются зеркальными отображениями друг друга. Как мы увидим ниже, точки электрических зарядов, которые соединяются для формирования протонов и нейтронов, сами по себе являются маленькими частичками, известными как кварки. Протон или нейтрон состоит из кварков; а их двойники, или аналоги, состоят из антикварков.

После открытия позитрона в 1932 году встала задача подтвердить, существует ли также и другая часть атома антиводорода, антипротон. Проблема состояла в том, что протон почти в две тысячи раз тяжелее электрона. Так будет ли антипротон на столько же тяжелее позитрона? Это означает, что для его производства требуется гораздо большее энергии.

К 1950 году в космическом излучении открыли и другие новые частицы. Они включали мюон, который является более тяжелой версией электрона; уже упоминавшийся пион, который является бозоном и весит примерно одну седьмую часть протона. Также были частицы, известные как каон, которые назвали «странными» частицами, потому что они имеют неожиданно долгий срок жизни. Но антипротон не нашли. Общее мнение было таково, что антипротон существует – настолько физики были уверены в истинности утверждений Дирака. Амбициозный план появился в Калифорнийском университете в Беркли – там решили построить ускоритель, который будет ускорять протоны таким образом, что при ударе в цель появится достаточно энергии для производства антипротона. Задачей было построить машину и разработать средства для обнаружения и идентификации антипротона, причем так, чтобы не оставалось никаких сомнений.

«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.