Карло Руббиа

Биография

Итальянский физик Карло Руббиа родился в маленьком городке провинции Гориция, расположенном неподалеку от итало-югославской границы, и был старшим сыном инженера-электрика Сильвио Руббиа и учительницы начальной школы Беатриче (в девичестве Личени) Руббиа. Способности к науке и технике у мальчика проявились рано он проводил много времени, изучая электрическое оборудование средств связи, брошенных во время второй мировой войны.

К концу войны югославская армия заняла большую часть провинции Гориция, и семья Руббиа эвакуировалась сначала в Венецию, затем в Удине и, наконец, поселилась в Пизе. После окончания средней школы Р. намеревался изучать физику в привилегированной школе, входившей в состав Пизанского университета, но провалился на вступительных экзаменах из-за пробелов в образовании, вызванных войной. Вынужденный оставить мечту о физике, Р. поступает на инженерный факультет Миланского университета. Через несколько месяцев он получает уведомление о том, что может вернуться в Пизу и поступить на образовавшуюся в последний момент вакансию. Впоследствии Р. заметил по этому поводу, что стал физиком благодаря случаю. Он продолжает свое образование в Пизе и в 1958 г. пишет докторскую диссертацию, посвященную экспериментальному исследованию космических лучей и разработке приборов для детектирования элементарных частиц, образующихся в ускорителях при столкновениях других частиц, разогнанных до высоких энергий.

Чтобы набраться опыта, особенно в области ускорителей, Р. проводит 1958/59 учебный г. в Колумбийском университете, где работает со Стивеном Вайнбергом и другими ведущими учеными в области физики частиц высоких энергий. По возвращении в Италию в 1960 г. он работает какое-то время в Римском университете, а затем переходит в ЦЕРН (Европейский центр ядерных исследований) – консорциум тринадцати европейских государств, расположенный в Швейцарии, неподалеку от Женевы. Незадолго до этого ЦЕРН построил самый мощный в мире ускоритель частиц – протонный синхротрон, с помощью которого исследователи надеялись получить элементарные частицы, предсказанные теоретически, но еще не подтвержденные экспериментально.

Физикам известно четыре фундаментальных взаимодействия, существующих в природе: гравитационное (притяжение между массами), электромагнитное (взаимодействие между электрически заряженными или магнитными телами), «сильное» (взаимодействие, не дающее распасться ядру, компенсирующее отталкивание несущих электрический заряд протонов и удерживающее не имеющие заряда нейтроны) и «слабое» (взаимодействие, связанное с радиоактивным распадом некоторых нестабильных ядер, в частности с испусканием бета-частиц, или электронов). Считалось, что фундаментальные взаимодействия осуществляются путем обмена частицами, или квантами силовых полей, представляющими собой, как считалось с первых дней существования квантовой теории, дискретные порции, из которых слагается энергия. Первой такой частицей переносчиком взаимодействия, которая была обнаружена, оказался фотон – квант электромагнитного излучения, например света. Развитие современной квантовой механики, признающей дуализм волна – частица, привело физиков к неизбежному выводу о том, что свет, волновая природа которого была признана на протяжении почти двух столетий, ведет себя как поток дискретных частиц. Теория относительности Альберта Эйнштейна ввела эквивалентность массы и энергии, что дало теоретическое и практическое средство для анализа взаимодействий, затрагивающих массы частиц и лишенное массы излучение.

Так, при электромагнитном взаимодействии заряженных частиц, например электрона и протона, происходит обмен безмассовыми фотонами. В 1935 г. японский физик Хидэки Юкава чисто теоретически предсказал, что взаимодействие внутри ядра может осуществляться полями, квант которых обладает массой, и оценил вероятное значение этой массы. Предсказанная Юкавой частица была обнаружена в 1947 г. английским физиком Сесилом Ф. Пауэллом в столкновениях высокоэнергетических космических лучей с ядрами. Частица получила название пи-мезона, или пиона, масса ее примерно в 200 раз больше массы электрона Пион является переносчиком сильного взаимодействия. Позднее пион был получен и в лабораторных условиях на мощных ускорителях. Было открыто много различных мезонов и других субатомных частиц. Активная деятельность в этой области продолжается и поныне. Одни физики предлагают теории, позволяющие навести некое подобие рационального порядка в дикой мешанине частиц, другие пытаются строить все более и более мощные ускорители, с тем чтобы сделать наблюдаемыми все большее количество частиц.

Существование четырех фундаментальных взаимодействий не нравилось физикам, и они давно пытались создать теории, которые бы объединили все взаимодействия. В 1960 г. американский физик Шелдон Л. Глэшоу предложил единую теорию электромагнитного и слабого взаимодействия (объединенное взаимодействие получило название электрослабого), которая требовала, однако, существования трех не наблюдавшихся ранее частиц W+ – с положительным электрическим зарядом, W– – с отрицательным электрическим зарядом и Z0 – с нулевым зарядом. Все три частицы попали в один класс частиц, называемых бозонами (а честь индийского физика Шатьендраната Бозе). Фотон, пион и ядра с четным числом нуклонов (протонов и нейтронов) также являются бозонами. Стивен Ванберг и Абдус Салам независимо друг от друга предсказали, что бозоны Глэшоу должны быть короткоживущими и должны иметь массу, примерно в десять раз большую, чем масса любой из известных элементарных частиц. Из-за больших ожидаемых масс для рождения таких частиц требуются необычайно высокие энергии.

В 1969 г. Р. вместе с Альфредом Манном и Дэвидом Клайном решил заняться поиском W- и Z-частиц в Фермиевской национальной ускорительной лаборатории (Фермилаб) близ Чикаго. Через два года они приостановили свои работы, чтобы объявить о получении данных, свидетельствующих о существовании нейтральных токов – потока незаряженных частиц, ожидаемых как следствие обмена Z0-частицами. Сообщение группы Р., если бы оно подтвердилось, означало бы подтверждение теории Глэшоу – Вайнберга – Салама. Однако, после того как исследователи из ЦЕРНа, также занимавшиеся поиском неуловимых токов, объявили в 1973 г. о том, что им удалось получить почти окончательные данные, группа из Фермилаба поспешно опубликовала статью, в которой признавала, что ей не удалось обнаружить нейтральные токи. Через год группа еще раз изменила свое мнение и опубликовала исчерпывающе подробную статью о существовании нейтральных токов. Хотя правильность выводов последней статьи ни у кого не вызвала сомнений, эпизод с отказом от открытия нейтральных токов несколько «подмочил» репутацию Р.

Располагая новыми данными, косвенно подтверждающими существование W- и Z-частиц, Р. снова принимается за их поиски. Однако ни один существовавший тогда ускоритель не позволял достичь энергий, необходимых для рождения столь массивных частиц. В 1976 г. Р., Клайн и Питер Макинтайр внесли радикальное предложение о переделке имевшегося в ЦЕРНе ускорителя в сверхмощный протонный синхротрон (СПС), чтобы разгонять частицы до высоких энергий с целью получения в нем пучков протонов и антипротонов, циркулирующих по одному и тому же кольцеобразному туннелю в противоположных направлениях и сталкивающихся после разгона до нужных энергий на встречных курсах. П.А.М. Дирак предсказал в 1928 г. существование антиматерии в форме антиэлектрона – частицы-близнеца отрицательно заряженного электрона, но с положительным зарядом. Столкновение материи и антиматерии приводит к аннигиляции обеих масс с выделением энергии. Теория Дирака была подтверждена в 1932 г., когда Карл Д. Андерсон открыл антиэлектрон (называемый сейчас позитроном).

Предложение Руббиа – Клайна – Макинтайра требовало решения многих трудных проблем и было встречено с изрядным скептицизмом. Тем не менее Р., известному своим неистощимым оптимизмом и «пробивными» способностями, удалось убедить ЦЕРН принять в 1979 г. проект постройки СПС ориентировочной стоимостью в 100 млн. долларов.

Одним из наиболее важных пунктов осуществления замыслов было создание сложного детектора для обнаружения частиц, рождающихся при столкновениях, и определения их характеристик, таких, как энергия и направление движения. Работая с группой, насчитывавшей более 100 человек, Р. и его коллеги построили 1200-тонную детекторную камеру, позволявшую идентифицировать и определять свойства примерно десяти разыскиваемых частиц, которые экспериментаторы надеялись обнаружить (по одной на каждый млрд. столкновений). Меньший – 200-тонный – детектор был построен второй группой для других экспериментов и подтверждения результатов, получаемых с помощью первого детектора.

Проблема получения достаточного количества антипротонов (антиматерия встречается крайне редко) была решена Симоном ван дер Мером. Предложенный им метод состоял в том, что антипротоны, рождающиеся при бомбардировке твердой медной мишени короткими сериями импульсов очень быстро движущихся протонов от протонного синхротрона (ПС), отводились и собирались в специальном накопительном кольце. Сложная система электродов фокусировала антипротоны, собирая их в «пачки» импульсы. Затем антипротоны из накопительного кольца снова инжектировались в ПС, получая предварительное ускорение, и поступали в СПС вместе со «сгустками» протонов, предварительно ускоренных аналогичным образом. Затем частицы и античастицы окончательно ускорялись до энергии в 300 млрд. электрон-вольт. Поскольку частицы и античастицы имеют заряды противоположных знаков, они обращаются по откачанному до глубокого вакуума кольцу диаметром около 4 миль в противоположных направлениях в виде трех «сгустков» частиц каждого сорта и сталкиваются в шести вполне определенных точках, в двух из которых расположены детекторы.

Эксперименты начались в 1982 г., и в течение одного месяца удалось обнаружить пять W-частиц. Во избежание преждевременных заявлений об открытии Р. выждал до конца 1983 г. и опубликовал сообщение своей группы об открытии W+ и W–-частиц только после тщательного анализа экспериментальных данных, а еще через несколько месяцев сообщил об открытии Z0-частицы.

В 1984 г. Р. и ван дер Мер были удостоены Нобелевской премии по физике «за решающий вклад в большой проект, который привел к открытию квантов поля W- и Z-частиц, переносчиков слабого взаимодействия». При презентации лауреатов, Геста Экспонг, член Шведской королевской академии наук, заявил:

«Когда в ЦЕРНе были открыты W- и Z-частицы, сбылась давняя мечта о лучшем понимании слабого взаимодействия, которое оказывается слабым именно потому, что W- и Z-частицы такие тяжелые». В заключение своей речи Экспонг высказал предположение, что «открытие W- и Z-частиц войдет в историю физики как открытие радиоволн и фотонов света – переносчиков электромагнетизма».

Незадолго до объявления о присуждении премии Р. со своей группой сообщил об открытии t-кварка элементарной частицы, которую считают фундаментальной составляющей других частиц, таких, как протоны и нейтроны. Р. выступил также с предложением о пристройке нового и гораздо более мощного ускорителя протонов к большому электрон-позитронному коллайдеру ЦЕРНа.

С 1970 г. Р. проводит полгода, занимаясь преподавательской деятельностью, в Гарвардском университете, где в 1986 г. он стал профессором физики, а другую половину – как старший физик в ЦЕРНе. Энергичный, не ведающий покоя, легкий на подъем, Р. пользуется признанием не только как искусный экспериментатор, но и как гибкий и динамичный руководитель проектов.

В 1957 г. Р. женился на учительнице физики средней школы Маризе Роме. Чета Руббиа, у которой родились сын и дочь, живет в Женеве и имеет дом близ Бостона (штат Массачусетс).

В 1985 г. Р. был награжден итальянским Большим крестом и премией Джорджа Ледли Гарвардского университета. Он состоит членом Европейской академии наук и Американской академии наук и искусств, а также является иностранным членом Лондонского королевского общества. Он – почетный доктор многих университетов, в т. ч. университетов Женевы, Генуи, Северо-Западного, Карнеги – Меллона, Удине и Ла-Платы.