Сэмюэл Тинг

Биография

Американский физик-ядерщик Сэмюэл Ч.Ч. Тинг родился в Ан-Арборе (штат Мичиган). Он был старшим из трех детей Тинг Куаньхая, профессора, специалиста по технологиям, работавшего в то время в Мичиганском университете, и Ван Дзуньин, профессора психологии. Через два месяца после его рождения семья вернулась в континентальный Китай, где Т. провел свое раннее детство. Подростком он жил на Тайване, где его отец преподавал в Тайваньском национальном университете. Т. возвратился в США в 1956 г. всего лишь с сотней долларов и слабым знанием английского языка, но с желанием поступить в Мичиганский университет. Поддержанный стипендиальным фондом, он добился своего и в 1959 г. получил степень бакалавра по математике и физике, в 1960 г. – степень магистра по физике, а в 1962 г. – докторскую степень по физике.

Т. провел 1963 г. в ЦЕРНе (Европейском центре ядерных исследований) в Женеве (Швейцария), работая вместе с итальянским физиком Джузеппе Коккони на протонном синхротроне – ускорителе частиц. Два года спустя он перешел на факультет Колумбийского университета в Нью-Йорке и вскоре заинтересовался недавним экспериментом, проведенным на ускорителе электронов в Гарвардском университете. Эксперимент был связан с «производством пар», т.е. одновременным получением электрона и его античастицы, позитрона, путем столкновения кванта излучения (фотона) с ядерной мишенью. (Позитрон во всем идентичен электрону, за исключением знака заряда, который у позитрона положителен.) Экспериментальные результаты, казалось, нарушали некоторые предсказания квантовой электродинамики, описывающей взаимодействие материи с электромагнитным излучением.

Взяв отпуск в Колумбийском университете, Т. отправился в Гамбург (ФРГ), чтобы повторить гарвардский эксперимент на ускорителе ДЕСИ (название германского электронного синхротрона). Гамбургская группа во главе с Т. создала инструмент, названный двухлучевым спектрометром, предназначенным для регистрации электронно-позитронных пар. Два луча спектрометра позволяли одновременно измерять импульсы (произведение массы на скорость) двух частиц (с помощью отклонения их большими магнитами), а также углы между их траекториями и направлением входящего пучка. Раздельное измерение скоростей частиц позволяет вычислить их массы и определить их общую энергию. Затем их можно идентифицировать и установить корреляции между ними Спектрометр можно было также настроить таким образом, чтобы он регистрировал лишь частицы с определенными импульсами, чтобы можно было использовать различные эффективные массы. Полученные группой экспериментальные результаты показали, что описание возникновения пар, даваемое квантовой электродинамикой, справедливо вплоть до малых расстояний порядка одной стотриллионной сантиметра.

Т. продолжал изучать возникновение пар и искать новые частицы, при распаде которых образовывались бы электронно-позитронные пары. Одновременно со своей работой на ДЕСИ он в 1967 г. начал преподавать физику в Массачусетском технологическом институте (МТИ) и двумя годами позже стал там профессором. Со своей группой в 1971 г. Т. начал поиск частиц на ускорителе протонов мощностью 30 млрд. электрон-вольт в Брукхейвенской национальной лаборатории в Лонг-Айленде (штат Нью-Йорк)

Т. искал короткоживущие, относительно тяжелые частицы. Поскольку большая масса эквивалентна очень большой энергии, согласно теории относительности Альберта Эйнштейна, искомые частицы могли появиться только при бомбардировке мишени частицами с высокой энергией. Для таких исследований прежде всего требовался сверхчувствительный детектор, который был бы способен идентифицировать такое событие, как возникновение электронно-позитронной пары с измеримой энергией в течение одной миллиардной доли секунды среди миллиардов других взаимодействий, не представляющих интереса, и под натиском 10 трлн. протонов в секунду. Нельзя было ожидать, что частицу рассматриваемого типа можно поймать и наблюдать непосредственно, однако она должна была проявиться, распавшись на электронно-позитронную пару, энергия которой должна была равняться энергии исчезнувшей родительской частицы. Это требовало высокой разрешающей способности при больших массах, т.е. возможности добавить точно известные небольшие порции энергии к уже существующему большому количеству энергии и измерить их влияние на образование пары. Т. со своими коллегами решил создать оригинальный вариант двухлучевого спектрометра. Исключительно сложный аппарат, после того как была тщательно отлажена каждая из его компонент, заработал почти с первого включения. Это добавило новый штрих к той репутации, которую Т. снискал в Гамбурге, репутации искусного, тонкого экспериментатора с завидной проницательностью.

Группа Т. бомбардировала пучком протонов бериллиевую мишень. В августе 1974 г. после нескольких месяцев работы они обнаружили острый узкий пик, связанный с возникновением электронно-позитронной пары, при 3,1 млрд. электрон-вольт. После нескольких месяцев повторных проверок этого результата самыми разными способами Т. пришел к выводу, что они имеют дело с новой, не предвиденной ранее частицей. Она была вдвое тяжелее других сравнимых частиц, а ее масса (в терминах эквивалентной энергии) имела в тысячу раз более узкий диапазон, что указывало на малый разброс энергетических состояний, в которых могла находиться данная частица, и могло служить ключом к выявлению ее природы. Т. хотел исследовать другие связанные с этим проблемы, прежде чем публиковать результаты, и не сделал немедленного сообщения в печати. Он лишь проинформировал Джордже Беллеттини, директора лаборатории Фраскати в Италии. Зная, где нужно вести поиск, физики этой лаборатории буквально в течение двух дней подтвердили открытие Т. Статьи Т. и группы из лаборатории Фраскати появились в одном и том же ноябрьском номере журнала «Физикал ревью леттерз» ("Physical Review Letters").

Когда Т. подыскивал имя для новой частицы, ему напомнили, что для названий устойчивых частиц возбуждаемой группы в современной физике используются заглавные латинские буквы, тогда как частицы более классической группы обозначаются греческими буквами. Поскольку в его опытах участвовали электромагнитные токи, которые обозначаются символом J, он дал своей частице имя J (джей). Во время очередной плановой встречи на территории Станфордского линейного ускорителя (СЛАК) в Калифорнии Т. рассказал о своем открытии директору СЛАК Вольфгангу Панофски. Панофски в ответ сообщил ему, что всего лишь несколько дней назад физик из СЛАК Бертон Рихтер сделал сообщение об аналогичном открытии. Сравнив записи, Т. и Рихтер пришли к выводу, что они открыли одну и ту же частицу, которую Рихтер назвал ψ (пси). В знак признания их независимых друг от друга и почти одновременных открытий было решено назвать частицу джей/пси. Многие физические лаборатории внесли изменения в план своей работы, чтобы исследовать новую частицу, тогда как ядерщики-теоретики попытались найти ей место в своих теориях.

Т. и Рихтер были награждены в 1976 г. Нобелевской премией по физике «за изыскательскую работу по открытию тяжелой элементарной частицы нового типа». По словам Геста Экспонга, члена Шведской королевской академии наук, во время презентации лауреатов, Т. открыл новую частицу, в ходе исследования процесса рождения пары из электрона и позитрона при высоких энергиях. Что касается Рихтера, продолжал Экспонг, то он стремился осуществить фронтальное столкновение электронов с позитронами, и частица появилась, когда условия были точно соблюдены. Создается впечатление, напомнил Экспонг, что «частицы черпают свои свойства из более глубокого уровня деления материи, где требуется всего лишь несколько строительных кирпичей, называемых кварками».

Поскольку частица джей-пси жила в несколько тысяч раз дольше, чем можно было объяснить, исходя из допущения, что существуют только три фундаментальные частицы, называемые кварками, которые образуют различные комбинации, физики выдвинули предположение, что наличие этой частицы связано с существованием четвертого кварка, названного очарованным. Хотя последняя частица была предсказана раньше, экспериментальное подтверждение ее существования до открытия Т. и Рихтера отсутствовало.

С помощью ускорителей в ЦЕРНе и ДЕСИ Т. продолжает поиски новых частиц. Он также выполняет преподавательские обязанности в МТИ, где в 1977 г. стал первым институтским профессором.

В 1960 г. Т. женился на Кэй Луизе Кюне, архитекторе. У них две дочери. Он известен как спокойный и увлекающийся человек, дотошный экспериментатор.

Т. является членом Американской академии наук и искусств, американской Национальной академии наук, Американского, Европейского и Итальянского физических обществ. Он получил памятную награду имени Эрнеста Орландо Лоуренса по физике Агентства по изучению и развитию энергетики в США (1976). Он также имеет почетную ученую степень Мичиганского университета.