Як упіймали бозон

Скільки стихій править світом? Фізики до недавнього часу вважали, що їх чотири. Це фундаментальні взаємодії: сильна, електромагнітна, слабка і гравітаційна… Але, можливо, вони — лише прояви одного загального початку? Спроби відповісти на питання сприяли створенню теорії єдиної електрослабкої взаємодії. Для остаточного торжества теорії не вистачало «малості» – виявлення частки, що лежить в її основі, так званого проміжного бозона. І ось, схоже, ця частка знайдена…

«Якщо ти знаєш, що шукаєш, то навіщо шукаєш? А якщо не знаєш, то як сподіваєшся знайти? — так висловився один із давніх філософів. І експериментальні роботи в галузі фізики елементарних частинок, здебільшого, представляли і репрезентують пошуки «не знаю чого», щоправда, у тих областях, де це «не знаю що» можна знайти з найбільшою ймовірністю. Але бувають і винятки, ось про один із них і йтиметься.

Виявлення проміжного бозону фізики практично планували. Ситуація дуже нагадувала епізод із плакатом із фільму «Дев’ять днів одного року». Плакат говорив: «Відкриємо ще одну нову частинку в наступному кварталі!» У фільмі це гасло було, безперечно, іронічним, але серед фізиків влітку 1981 року подібні заяви звучали серйозно. Саме в цей час готувався до запуску прискорювач «Коллайдер» у ЦЕРНі — Європейському центрі ядерних досліджень. Прискорювач був спеціально переобладнаний із основною метою — виявити проміжний бозон. На ньому встановили кілька детекторів, і в тому, що бозон знайдуть, якщо не з дня на день, то з місяця на місяць не сумнівався практично ніхто. Так і говорили на наукових конференціях: наприкінці 1981 року, найпізніше — на початку 1982 року відкриють проміжний бозон. У сторонньої людини могло скластися враження, що у природи немає більше таємниць від фізиків і вони вже справді планують відкриття поквартально.

Проте все виявилося не так легко: більше року експериментальні установки не могли зловити бозон із суто технічних причин. У «Коллайдері» стикаються пучки протонів та антипротонів. У зіткненнях і народжуються проміжні бозони, але з дуже малою ймовірністю. Тому, щоб спостерігати хоча б кілька бозонів на день, треба стикати дуже багато частинок у зустрічних пучках. Виявилось, що «організувати» такі масові зіткнення зовсім не просто, пішов на це майже рік.

Але що ж це за частка така, для упіймання якої було спеціально переобладнано прискорювач, та ще потім не один місяць возилися і возитимуться експериментатори, щоб упіймати її? Проміжний бозон, безперечно, заслужив таку виняткову до себе увагу. Він є переносником слабкої взаємодії. Але його не могли спостерігати, бо він має дуже велику, за мірками мікросвіту, масу — майже у вісімдесят разів більше, ніж у протона. На наявних у розпорядженні фізиків прискорювачах просто не досягалися енергії, необхідні для його народження. Тому й довелося будувати «Коллайдер» з енергією пучків, що стикаються, по двісті сімдесят мільярдів електрон-вольт.

І все ж таки бозон вдалося зловити: на початку 1983 року з ЦЕРНу прийшли перші звістки про те, що зареєстровані випадки народження та розпаду проміжного бозона. Розпадається він найчастіше на електрон і нейтрино, що летять у різні боки. Оскільки маса у бозона величезна, а при розпаді вся вона передається у вигляді енергії частинкам, на які розпадається бозон, легкі електрон і нейтрино розлітаються з енергіями в десятки мільярдів електронвольт. Щоб бути впевненими, що електрон з’явився завдяки розпаду бозона, а не залетів «з боку», треба дуже точно визначити напрямок його вильоту та енергію. Зробити це для таких енергійних частинок дуже складно: доводиться будувати величезні установки. Та, на якій виявили бозон, наприклад, має завдовжки десять, а завширшки п’ять метрів, а важить понад дві тисячі тонн. Участь в експерименті взяли понад сто фізиків із одинадцяти країн Європи та Америки.

Автор: А. Семенов.