Симон ван дер Мер

Биография

Голландский физик и инженер Симон ван дер Мер родился в Гааге. Третий из четырех детей, он был единственным сыном школьного учителя Питера ван дер Мера и урожденной Йетске Гренефельд. Родители высоко ценили ученость и ценой материальных жертв дали детям хорошее образование. М. учился в местной гимназии и сдал выпускные экзамены в 1943 г., когда Голландия была оккупирована немцами во время второй мировой войны. Так как немцы закрыли голландские университеты, М. еще два года изучал гуманитарные дисциплины в гимназии. Но его интерес к физике и технике неуклонно рос. Любимым его занятием стало возиться с электроникой. В доме ван дер Меров с каждым днем становилось все больше различных устройств и приспособлений, сконструированных им. По окончании войны М. поступил в технический колледж в Делфте на специальность «контрольно-измерительные устройства» и в 1952 г. окончил его с дипломом инженера. В том же году М. стал сотрудником Научно-исследовательской лаборатории фирмы «Филипс» в Эйндховене и принял участие в создании электронного микроскопа и высоковольтного оборудования. В1956 г. он перешел на работу в Европейский центр ядерных исследований – ЦЕРН, образованный двумя годами ранее, как консорциум 13 европейских стран.

В ЦЕРНе М. сначала работал над техническим проектом ускорителя частиц – протонного синхротрона (ПС). Проявив особый интерес к проблемам управления пучками частиц, М. затратил несколько лет на изобретение пульсирующего фокусирующего устройства, которое он назвал нейтринным рогом. Это устройство предназначалось для увеличения интенсивности потоков нейтрино – элементарных частиц, не имеющих электрического заряда и почти лишенных массы. Нейтрино испускаются наряду с другими частицами в таких реакциях, как бета-распад (испускание электронов) радиоактивных ядер. В1965 г. М. спроектировал небольшое накопительное кольцо – устройство, позволяющее с помощью электромагнитных полей удерживать заряженные частицы, заставляя их циркулировать по кольцу. Оно использовалось в экспериментах по измерению магнитных свойств мюона – частицы, аналогичной электрону, но гораздо более тяжелой, которая была первоначально обнаружена в космических лучах. Участие в этом эксперименте позволило М. познакомиться с принципами проектирования ускорителей и характерными особенностями мышления физиков, работающих в области высоких энергий. С 1967 по 1976 г. М. отвечал за питание управляющих магнитов пересекающихся накопительных колец ЦЕРН и суперпротонного синхротрона (СПС) на 400 млрд. электрон-вольт. Пересекающиеся накопительные кольца позволяют частицам, например протонам, циркулировать в противоположных направлениях по двум различным кольцам. Там, где накопительные кольца пересекаются, происходит столкновение встречных пучков.

В 1976 г. М. вошел в число участников проекта, предложенного Карло Руббиа, Дэвидом Клайном и Питером Макинтайром Суть проекта сводилась к превращению СПС в экспериментальную установку для обнаружения гипотетических W- и Z-частиц (бозонов), связанных с ядерным (сильным) взаимодействием. Поиск этих частиц ученые вели на протяжении многих лет. Их обнаружение имело бы решающее значение для подтверждения квантовых теорий поля.

Физики различают четыре фундаментальных взаимодействия гравитационное (притяжение между массами, оно удерживает вместе части Вселенной), электромагнитное, связывающее атомные электроны с ядром, атомы с атомами в молекулах и лежащее в основе всех химических процессов, слабое взаимодействие, ответственное за некоторые типы радиоактивности, например испускание бета-излучения (электронов), и сильное взаимодействие, удерживающее в ядре протоны, нейтроны и другие субатомные частицы, компенсируя противодействующие силы, например взаимное отталкивание плотно упакованных протонов. Согласно квантовой теории поля, взаимодействие осуществляется путем обмена фундаментальными частицами, или квантами поля. Отец квантовой теории Макс Планк обнаружил в 1900 г., что энергия излучается не непрерывно, а дискретными порциями, или квантами. В 1905 г. Альберт Эйнштейн подтвердил квантовую теорию, доказав, что свет, волновая природа которого считалась общепризнанной на протяжении столетий, может действовать и как поток отдельных частиц. Квант света, как и квант любого электромагнитного излучения, получил название фотона. Электромагнитное взаимодействие осуществляется с помощью обмена фотонами. Энергия фотона пропорциональна частоте излучения.

У фотона нулевая масса покоя свет либо движется, либо не существует. В 1935 г. японский физик Хидеки Юкава выдвинул гипотезу о том, что внутриядерное взаимодействие может переноситься квантами, имеющими массу покоя, и вычислит ее предполагаемую величину около 200 масс электрона. В 1947 г. английский физик Сесил Ф. Пауэлл обнаружил частицу Юкавы в происходящих на большой высоте над Землей столкновениях космических лучей с ядрами. Так как аналогичная, но более легкая частица была найдена несколько ранее на малых высотах, частица Юкавы получила название пи-мезона, или пиона, а более легкая частица стала называться мю-мезоном, или мюоном. Пион играет роль переносчика сильного взаимодействия, осуществляя связь между протонами и нейтронами, а также между одноименными внутриядерными частицами (только протонами или только нейтронами).

Существование четырех фундаментальных взаимодействий не удовлетворяло физиков. Было предпринято несколько попыток создать теорию, охватывающую все четыре взаимодействия в рамках единого подхода. В 1960 г. американский физик Шелдон Л. Глэшоу предложил электрослабую теорию, объединяющую электромагнитное и слабое взаимодействия. Теория Глэшоу требовала существования трех частиц из класса бозонов (названных в честь индийского физика Сатъендраната Бозе): положительно заряженной W+-частицы, отрицательно заряженной W–-частицы и нейтральной Z0-частицы. Частицы W должны служить переносчиками слабого взаимодействия, а все три новые частицы и фотон – электрослабого взаимодействия. Семь лет спустя американский физик Стивен Вайнберг и пакистанский физик Абдус Салам независимо друг от друга предсказали, что W- и Z-частицы должны быть в десятки раз тяжелее любой ранее известной элементарной частицы и иметь необычайно короткое время жизни (менее 10–18 секунд).

Итальянскому физику Руббиа, работавшему в ЦЕРН с 1960 г. и занимавшемуся поиском W- и Z-частиц в Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми, расположенной близ Чикаго, в 1979 г. удалось убедить руководство ЦЕРН перестроить СПС для подобных исследований. Предполагаемая стоимость работ составляла 100 млн. долларов.

Поскольку массы W- и Z-частиц велики, для наблюдения их требуется выделение огромного количества энергии. Эквивалентность массы и энергии, выводимая из теории относительности Эйнштейна, позволяет оценить количество необходимой энергии. Полученная оценка превосходила возможности существующих ускорителей частиц, в частности, потому, что при столкновениях быстро движущихся частиц не вся энергия расходуется на образование новых частиц. Руббиа и его коллеги предложили использовать СПС как протон-антипротонный ускоритель на встречных пучках – коллайдер. Антипротоны – это частицы антиматерии, аналогичные протонам, т.е. частицы-двойники во всем, кроме заряда, который у них отрицателен. Существование первой античастицы – антиэлектрона – предсказал в 1928 г. Поль А. Морис Дирак. Она была обнаружена экспериментально Карлом Д. Андерсоном в 1932 г. и получила название позитрона. При столкновении частицы и античастицы они аннигилируют с выделением энергии в виде, например, гамма-излучения. В переделанном по предложенному проекту СПС протоны и антипротоны как частицы с противоположными электрическим зарядами обращались бы в противоположных направлениях в одном и том же магнитном поле внутри одного и того же кольца. При столкновении частиц в результате аннигиляции высвобождалось бы количество энергии, необходимое для рождения W-и Z-частиц.

Осуществление проекта столкнулось со многими трудностями: возникли проблемы с накоплением нужного числа антипротонов в достаточно интенсивном пучке (частицы антиматерии встречаются крайне редко) и с проектированием детектора, позволяющего идентифицировать частицы и определять их характеристики. Жизнь самих частиц слишком коротка для того, чтобы их можно было наблюдать непосредственно, но продукты их распада могут дать ценные «показания» обо всем происходившем. Одним из продуктов распада должно было быть ускользающее от экспериментаторов нейтрино, необычные свойства которого, в том числе отсутствие заряда и массы, почти полностью исключают всякое взаимодействие с веществом, необходимое для срабатывания любого детектора. К выводу о существовании нейтрино физики приходят, суммируя энергию и импульс других продуктов распада по всем направлениям и определяя недостающие энергию и импульс. Руббиа и более ста других ученых построили сложную 1200-тонную детекторную камеру. Другая группа – меньший, 200-тонный детектор для подтверждения получаемых результатов М. удалось решить проблему подвода антипротонов с помощью специального накопительного кольца.

Для получения антипротонов неподвижная медная мишень бомбардировалась сгустками протонов, разогнанных до высоких энергий на старом ПС. Рожденные антипротоны поступали в виде всплесков быстрой последовательности в накопительное кольцо. Накопленные в кольце примерно за сутки антипротоны инжектировались в ПС для предварительного ускорения, а оттуда поступали в СПС, куда затем поступала предварительно ускоренная группа протонов, также выведенная из ПС. Протоны и антипротоны окончательно разгонялись до энергий порядка 300 млрд. электрон-вольт СПС превращался в гигантское накопительное кольцо диаметром в 4 мили, в котором частицы и античастицы, разделенные на три группы, циркулировали в противоположных направлениях и сталкивались «в лоб» в шести строго определенных точках. В двух из этих точек были размещены детекторы.

Ключевым моментом в создании успешно действующего накопителя антипротонов была реализация предложенного М. так называемого стохастического охлаждения. Нужно было принять каждый сгусток инжектированных антипротонов, сжать его в плотный узкий импульс и присоединить к все более многочисленной «стае» антипротонов, летающей по осевой линии откаченной до глубокого вакуума камеры накопителя. Образовавшееся облако антипротонов необходимо было хранить так, чтобы оно не оказалось на пути потока новых сгустков. Сложная управляющая система включала в себя ряд пикап-электродов (электродов-датчиков), следивших за смещением орбит частиц и посылавших усиленные надлежащим образом сигналы на расположенные впереди электроды, которые корректирующими «толчками» фокусировали траекторию в более тонкий пучок, когда сгусток частиц оказывался в точках корректировки. Другие толчки изменяли скорости сжатых сгустков так, чтобы они воссоединялись с накопленными. Под охлаждением в данном случае понимается уменьшение скоростей частиц относительно друг друга. Стохастичность предполагает случайность, неизбежную в тех случаях, когда приходится иметь дело с большим числом частиц М. говорил впоследствии, что «процесс такой сложности невозможно было бы одолеть, если бы не усилия и самоотверженность нескольких сотен людей».

Столкновения протонов и антипротонов, совершающих 50 000 оборотов в секунду по кольцу с длиной окружности более 12,5 мили, позволяли достичь рекордных по тем временам энергий. Коллайдер был введен в строй в 1982 г., а об открытии W+ и W–-частиц было объявлено уже в январе 1983 г. А еще через несколько месяцев последовало сообщение об обнаружении более неуловимой Z-частицы.

М. и Руббиа была присуждена Нобелевская премия по физике 1984 г. «за решающий вклад в большой проект, осуществление которого привело к открытию полевых частиц W и Z, переносчиков слабого взаимодействия». Экспериментальное открытие квантов слабого взаимодействия было с энтузиазмом воспринято во всем мире как одно из наиболее важных достижений в физике XX в. Открытие W- и Z-частиц позволило объяснить, почему Солнце не перегревается и не испепеляет все живое на Земле, сделало более доказательной так называемую теорию «большого взрыва» в космологии, приблизило науку к возможной реализации мечты Эйнштейна, правда в видоизмененном виде созданию единой полевой теории, охватывающей все четыре фундаментальных взаимодействия в природе М. продолжает проектировать и строить в ЦЕРН накопительные кольца все более совершенных конструкций.

М. с 1966 г. женат на Катарине М. Купман. У них родились сын и дочь. Он заядлый лыжник и турист, любит на досуге читать художественную литературу.

М. избран почетным доктором университетов Женевы, Амстердама и Генуи, награжден медалью Дадделла и премией Лондонского физического института (1982). Он состоит членом Королевской нидерландской академии наук и Американской академии наук и искусств.