Бертон Рихтер

Биография

Американский физик Бертон Рихтер родился в Нью-Йорке и был единственным сыном и старшим из детей в семье рабочего-текстильщика Абрахама Рихтера и Фанни (в девичестве Поллак) Рихтер. Интерес к естественным наукам у Р. проявился рано. В подвале своего дома он создает химическую лабораторию и много читает по физике. Прежде чем в 1948 г. поступить в Массачусетский технологический институт (МТИ), он учится в Фаррокэвейской школе в Квинсе (штат Нью-Йорк) и Мерсерсбергской академии (штат Пенсильвания). Первоначально он колебался в выборе профилирующего предмета, не зная чему отдать предпочтение – физике или химии, но один из профессоров, Фрэнсис Фридмен, открыл ему, как впоследствии говорил Р., «глаза на красоту физики».

На втором курсе Р. работает под руководством Фрэнсиса Биттера в лаборатории магнетизма МТИ, занимаясь исследованием физической системы, состоящей из электрона и позитрона (античастицы электрона). Работа, за которую Р. через 25 лет получит Нобелевскую премию, базировалась на экспериментах с теми же д

вумя частицами. Его дипломная работа в МТИ, написанная под руководством Биттера, была посвящена исследованию действия сильных магнитных полей на энергетические уровни атома водорода.

Получив в 1952 г. степень бакалавра, Р. остался в лаборатории Биттера уже в качестве аспиранта. Его первым задание

м было получение короткодвижущего изотопа ртути с помощью бомбардировки атомов золота высокоэнергетическими ядрами дейтерия (тяжелого водорода). Источником высокоэнергетических ядер служил циклотрон ускоритель, в котором заряженные частицы разгоняются, раскручиваясь по спирали. И Р. вскоре заинтерес

овался принципами действия циклотрона и заложенными в нем возможностями для исследований в областях ядерной физики и физики элементарных частиц гораздо в большей степени, нежели проблемами получения изотопа ртути.

В это время Р. встретился с физиком Дэвидом Фришем, который организовал ему приглаш

ение на шесть месяцев в Брукхейвенскую национальную лабораторию на острове Лонг-Айленд в Нью-Йорке. Там ему представилась возможность поработать на космотроне одном из наиболее мощных из действовавших тогда ускорителей. По возвращении в МТИ Р. проводит эксперименты на институтском синхротроне ускори

теле, аналогичном космотрону по конструкции, но существенно уступающем тому по размерам. В синхротроне ускоряемые частицы движутся по круговым орбитам, а не по спирали.

В 1959 г. Р. завершает докторскую диссертацию, используя синхротрон для получения некоторых нестабильных частиц. После защиты он

становится ассистентом-исследователем физического факультета Станфордского университета. К тому времени его интересы целиком сосредотачиваются на квантовой электродинамике – теории электромагнитных сил, действующих на заряженные частицы. Р. предложил проверить эту теорию, наблюдая столкновения межд

у движущимися и находящимися в покое электронами. Его коллеги Вольфганг Панофски и Сидней Дрелл предложили более удачный подход – изучать пары электронов и позитронов, рождающиеся от гамма-излучения (наиболее высокоэнергетической компоненты электромагнитного излучения). Полученные Р. результаты пока

зали, что квантовая электродинамика правильно описывает электромагнитные силы на расстояниях вплоть до одной десятитриллионной сантиметра.

В обычных ускорителях пучок частиц, разогнанных до высокой энергии, направляется на атомы стационарной мишени. Гораздо более высоких энергий удается достичь п

ри столкновении двух частиц, движущихся навстречу друг другу. В 1957 г. Джерард К. О'Нейл из Принстонского университета предложил для получения таких встречных столкновений накапливать ускоренные частицы, движущиеся по круговым орбитам в тороидальной вакуумной камере. В следующем же году Р., О'Нейл

и несколько других физиков приступили к строительству двух таких накопительных колец в Станфорде Ускоритель лаборатории физики высоких энергий при университете должен был питать оба кольца электронами, разогнанными до энергии 700 млн. электрон-вольт. Несколько лет ушло на преодоление различных техни

ческих трудностей, прежде чем накопительные кольца начали функционировать нормально. О своих первых результатах – подтверждении квантовой электродинамики причем подтверждении примерно в 10 раз более точном, чем более ранний эксперимент Р., – группа сообщила в 1965 г.

Между тем в 1960 г. Р. станов

ится адъюнкт-профессором в лаборатории физики высоких энергий. Через три года он переходит работать на Станфордский линейный ускоритель (СЛАК), расположенный неподалеку от университета и представлявший собой двухмильный ускоритель электронов. В 1967 г., продолжая работать на СЛАКе, Р. становится пол

ным (действительным) профессором Станфордского университета.

Имея такой источник высокоэнергетических электронов, как СЛАК, физики получили возможность строить накопительные кольца нового типа. Проектировщики прежних накопительных колец располагали двумя кольцами в виде восьмерки: электроны, цирк

улировавшие по отдельным кольцам, сталкивались на общем отрезке, соединявшем кольца. СЛАК позволял получать как электроны, так и позитроны, которые можно было накапливать в одном кольце. Те же электромагнитные поля, которые заставляют электроны циркулировать в кольце по часовой стрелке, вынуждают по

зитроны циркулировать против часовой стрелки. При этом пучки частиц и античастиц могут сталкиваться дважды на каждом обороте.

Рихтер возглавил группу, которая в 1980 г. приступила к строительству электрон-позитронного накопительного кольца на СЛАКе. Эта установка, получившая название Станфордског

о позитрон-элекронного ускорительного кольца, позволяет достигать энергий столкновения в 8 млрд. электрон-вольт. Через год после вступления установки в строй научный мир узнал об открытии. Эксперименты, использующие новую установку, которые начались в 1973 г. были противоположны экспериментам, прове

денным Р. в Станфорде. Если в тех экспериментах электроны и позитроны рождались из высокоэнергетического электромагнитного излучения, то в каждом столкновении, происходившем в новой установке, электрон и позитрон аннигилировали, порождая электромагнитный «файрболл» («огненный шар»), из которого в св

ою очередь рождались новые частицы.

Летом 1974 г. группа Р. занималась измерением зависимости скорости рождения адронов (класса частиц, обусловливающих сильное ядерное взаимодействие между протоном и нейтроном) от энергии столкновения. Накопительное кольцо выводили каждый раз на определенную энер

гию столкновений и подсчитывали число образовавшихся адронов. Затем энергию немного увеличивали и повторяли измерение. Как и ожидали исследователи, скорость рождения возрастала гладко и постепенно. Но при определенной энергии, соответствующей примерно троекратной массе протона, в скорости рождения а

дронов обнаружился высокий узкий пик. Такого рода «резонанс» часто бывает красноречивым признаком появления новой частицы с массой, соответствующей энергии столкновения, при которой наблюдается пик.

Р. и его группа потратили несколько месяцев на повторение эксперимента, исключая возможные источни

ки технических ошибок и измеряя зависимость скорости рождения адронов от энергии столкновения с меньшими шагами увеличения энергии во избежание «ложной тревоги». К ноябрю все потенциальные источники ошибок были исключены, и группа объявила об открытии частицы. Через день после этого группа Сэмюэла Т

инга из МТИ независимо и (почти) одновременно идентифицировала ту же частицу, используя другую экспериментальную технику. Р. назвал новую частицу греческой буквой ψ (пси) потому, что «эта была единственная греческая буква, которая не была еще использована для обозначения атомной частицы». Тинг

выбрал для новой частицы «имя» J (джей). Впоследствии оба обозначения были объединены в одно (джей/пси).

Открытие еще одной новой субатомной частицы само по себе не вызвало бы особого оживления среди тех, кто занимается физикой высоких энергий: с 50-х гг. было открыто более 10 адронов, и имелись

веские основания ожидать, что число их увеличится еще больше. Но по крайней мере все массивные адроны оказались необычайно короткоживущими. Они представляют собой возбужденные состояния менее массивных адронов, аналогичные возбужденным состояниям атомов, которые быстро распадаются, порождая своих ме

нее массивных сородичей, например протон и нейтрон. Необычным в джей/пси-частице было время ее жизни, примерно в 10 тыс. раз превосходившее величину, которую можно был бы ожидать для частицы такой массы. Столь неожиданное долгожитие наводило на мысль, что джей/пси обладает каким-то свойством материи

, которым не обладают другие легкие частицы. Необходимость каким-то образом отделаться от этого нового свойства, сбросить его и приводит к задержке ее распада, так как ни одна легчайшая частица этим свойством не обладает.

Открытие Тингом и Р. джей/пси-частицы стало экспериментальным подтверждение

м наличия определенного свойства фундаментальных частиц, называемых очарованными. Еще в 1963 г. физики Марри Гелл-Ман и Джордж Цвейг высказали гипотезу, согласно которой все адроны состоят из нескольких фундаментальных частиц, которые Гелл-Ман назвал кварками Первоначально было три типа кварков: вер

хний, нижний и странный, и они позволяли описывать все адроны, которые были известны до открытия джей/пси-частицы. Но в 1964 г. Шелдон Л. Глэшоу и Джеймс Д. Бьеркен высказали аргументы в пользу существования четвертого кварка, получившего название очарованного кварка, который мог бы объяснить некото

рые особенности во взаимодействиях известных частиц. Открытие джей/пси-частицы подтвердило гипотезу Глэшоу Бьеркена, поскольку частица состояла из очарованного кварка, связанного с очарованным антикварком. С тех пор были открыты десятки других очарованных частиц. Многие из них впервые были обнаружен

ы группой Р.

Р. и Тингв 1976 г. были удостоены Нобелевской премии по физике «за новаторские работы по открытию тяжелой элементарной частицы нового типа». В Нобелевской лекции Р. охарактеризовал свою научную карьеру как «многолетнюю историю любви... к электрону. Подобно большинству подобных истори

й, она знала периоды горения и охлаждении, но что касается меня, то радости неизменно перевешивали разочарования». Присуждение Нобелевской премии за открытие, совершенное всего лишь два года назад, – событие, необычайно редкое для Шведской королевской академии наук. Однако, как заметил Р., «моя рабо

та и работа Тинга дали, по сути, мгновенное подтверждение правильности наших поисков».

С 1979 г. Р. занимает пост профессора в Станфорде, совмещая свои обязанности с работой на ускорителе СЛАКе. Он является также консультантом министерства энергетики США.

В 1960 г. Р. женился на помощнице адми

нистратора Станфордского университета Лаурозе Беккер. У них сын и дочь Коллеги отзываются о Р. как о чутком человеке с поистине неисчерпаемым чувством юмора. На досуге он любит совершать прогулки, кататься на лыжах, играть в сквош и заниматься работой в собственном саду.

Кроме Нобелевской премии,